韋彩色,王新堯,陳紀(jì)磊,陶 江
(1.國營長虹機(jī)械廠,廣西桂林 541003;2.南京航空航天大學(xué)航天學(xué)院,江蘇南京 210016;3.中航工業(yè)集團(tuán)沈陽飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所,遼寧沈陽 110035)
隨著未來新作戰(zhàn)模式的出現(xiàn)和發(fā)展,對(duì)飛行器管理系統(tǒng)的功能和性能提出更高要求。為滿足當(dāng)前和未來飛行器的研制能力要求,以及響應(yīng)我國啟動(dòng)的“飛機(jī)數(shù)字化工程”,需要建立飛行器管理系統(tǒng)各分系統(tǒng)的數(shù)字化模型,為將來在全數(shù)字化仿真環(huán)境中提供在功能、性能上與部件的物理樣機(jī)一一對(duì)應(yīng)的虛擬模型,以實(shí)現(xiàn)在各分系統(tǒng)部件未制造之前,即可驗(yàn)證系統(tǒng)的功能及性能等指標(biāo)。飛行器管理系統(tǒng)大致分為感知層、執(zhí)行層和決策層[1],其中,感知層是決策層和執(zhí)行層進(jìn)行正確控制的判斷依據(jù),是飛行器管理系統(tǒng)不可或缺的一部分。
感知層包含有綜合光電傳感器、綜合射頻傳感器、微型傳感器、慣性傳感器等,可見,飛行器管理系統(tǒng)傳感器是一類涉及電、磁、光、力等多學(xué)科領(lǐng)域的部件,且種類繁多。此外,飛行器管理系統(tǒng)的傳感器還存在以下特點(diǎn):①易受外部環(huán)境因素的干擾;②具有自檢測功能;③容錯(cuò)重構(gòu),即余度設(shè)計(jì)。
目前,涉及傳感器建模仿真的文章有:文獻(xiàn)[2-6]根據(jù)傳感器的數(shù)學(xué)模型,基于MATLAB/Simulink建立對(duì)應(yīng)的仿真模型,輸出響應(yīng)曲線,對(duì)傳感器的特性進(jìn)行測試分析。文獻(xiàn)[7-12]基于有限元分析法,通過ANSYS等軟件建模仿真來研究某元素變化對(duì)傳感器特征的影響,以分析出傳感器最優(yōu)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[13-15]應(yīng)用模擬硬件描述語言Verilog-A對(duì)傳感器進(jìn)行行為建模,并通過理論分析與CadenceSpectre仿真得到證明和驗(yàn)證。文獻(xiàn)[16-18]在PSPICE仿真器中建立傳感器模型,通過仿真分析傳感器的性能指標(biāo)。
上述文獻(xiàn)所建的傳感器模型一定程度上具有較高的仿真度,但模型仿真中少有考慮傳感器受到的外部環(huán)境干擾,或僅考慮單一環(huán)境影響;也無法模擬傳感器出現(xiàn)故障的工作狀態(tài)。此外,針對(duì)機(jī)載傳感器的余度設(shè)計(jì)要求,上述文獻(xiàn)提出的傳感器建模仿真方法均難以滿足,且缺少擴(kuò)展性。而2007年國際系統(tǒng)工程學(xué)會(huì)(International Council on Systems Engineering,INCOSE)聯(lián)合對(duì)象管理組織(Object Management Group,OMG)在SysML的建模工具與專業(yè)分析軟件如FEA、CAD等進(jìn)行集成的建模平臺(tái)中,提出的“基于模型的系統(tǒng)工程(Model Based System Engineering,MBSE)”的整體解決方案為建立在功能、性能等特征與真實(shí)機(jī)載傳感器一一對(duì)應(yīng)的數(shù)字化模型提供了可能。
為此,本文從飛行器管理系統(tǒng)的頂層架構(gòu)出發(fā),結(jié)合底層設(shè)計(jì),提出一種基于SysML與MATLAB/Simulink對(duì)飛行器管理系統(tǒng)傳感器進(jìn)行建模與集成仿真的方法。該方法應(yīng)用SysML構(gòu)建飛行器管理系統(tǒng)的整體架構(gòu),并逐層細(xì)化,給出系統(tǒng)感應(yīng)層中具體傳感器的頂層的、全面的描述;基于Simulink建立傳感器的底層模型,解決目前SysML無法對(duì)復(fù)雜的連續(xù)動(dòng)態(tài)行為進(jìn)行描述的問題。結(jié)合建模工具底層代碼互通性的特點(diǎn),將不同層級(jí)模型集成,實(shí)現(xiàn)協(xié)同仿真。
本文選用Rational Rhapsody作為支持SysML的建模工具。頂層建模是指拋卻物體的具體物理實(shí)體,對(duì)其進(jìn)行抽象,僅基于功能-行為-結(jié)構(gòu)(Function-Behavior-Structure,F(xiàn)BS[19])來模擬物體的建模技術(shù)。在FBS框架下,系統(tǒng)頂層建模流程如圖1所示。分析系統(tǒng)需求得出對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的功能,并細(xì)化到能實(shí)現(xiàn)的功能單元;根據(jù)系統(tǒng)的功能單元,逐步確定系統(tǒng)的行為,直到行為能夠全部實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能為止;最后確定系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)。
圖1 系統(tǒng)頂層建模流程圖
飛行器管理系統(tǒng)傳感器主要是通過感應(yīng)飛行器的相關(guān)狀態(tài),向綜合處理器、數(shù)據(jù)記錄分系統(tǒng)等其它子系統(tǒng)傳遞飛行姿態(tài)、位置、溫度等參數(shù)信息。因此,傳感器與這些分系統(tǒng)之間存在信息交互,同時(shí)通過電源模塊供電。
1)確定系統(tǒng)功能單元。通過創(chuàng)建用例模型來替代基于文字的功能性需求,而用例模型的基本組成元素為用例(Use Case)和參與者(Actor)[20]。因此,需要根據(jù)系統(tǒng)需求首先確定對(duì)應(yīng)的用例以及參與者。
2)描述系統(tǒng)行為過程。由于用例只是表示系統(tǒng)將會(huì)執(zhí)行的一種行為,而不說明如何實(shí)現(xiàn),本文先用活動(dòng)圖來詳細(xì)地描述用例對(duì)應(yīng)的功能流,從而比較直觀地觀察到傳感器與其它子系統(tǒng)之間的交互關(guān)系,并更加方便推導(dǎo)出傳感器本身應(yīng)有的屬性和一些基本操作。等構(gòu)建系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)之后,再通過狀態(tài)圖對(duì)模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證。
3)構(gòu)建系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)。根據(jù)活動(dòng)圖,采用模塊定義圖來構(gòu)建傳感器在飛行器管理系統(tǒng)中與其它子系統(tǒng)之間的相互關(guān)聯(lián)特點(diǎn)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)模型,定義傳感器的屬性與操作。
最后基于系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu),創(chuàng)建傳感器的狀態(tài)圖進(jìn)行仿真驗(yàn)證。
由于目前SysML建模語言的參數(shù)圖只能描述簡單的連續(xù)動(dòng)態(tài)行為,無法對(duì)復(fù)雜的連續(xù)動(dòng)態(tài)行為進(jìn)行建模。本文借助常用的仿真工具——MATLAB/Simulink對(duì)傳感器進(jìn)行底層建模。因此,需要將不同層級(jí)模型集成起來,實(shí)現(xiàn)協(xié)同仿真。集成原意是指一些孤立的事物或者元素通過某種方式改變?cè)械姆稚顟B(tài)集中在一起,產(chǎn)生聯(lián)系,從而構(gòu)成一個(gè)有機(jī)整體的過程。本文的“集成”是指存在于不同專用仿真軟件中不同層級(jí)、不同領(lǐng)域的模型,通過某種方法聯(lián)合起來,從而構(gòu)成一個(gè)整體模型的過程。
目前,在不同建模工具上所建的不同層級(jí)、不同領(lǐng)域模型的聯(lián)合仿真技術(shù)有:文獻(xiàn)[21]通過S函數(shù)將AMESim模型連接到Simulink模型當(dāng)中。文獻(xiàn)[22]則采用PSpice SPLS接口將PSpice模型嵌入到Simulink模型當(dāng)中。文獻(xiàn)[23,24]通過相應(yīng)接口實(shí)現(xiàn)不同模型之間進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互功能。
本文選用Rhapsody作為SysML建模語言的運(yùn)行環(huán)境。根據(jù)上述文獻(xiàn)所采用的聯(lián)合仿真技術(shù),基于Rhapsody運(yùn)行工具,SysML模型與Simulink模型集成仿真可以通過以下兩種方法:
1)SysML模型集成到Simulink模型中。首先在MATLAB中編寫Cmax-sfunction函數(shù),使進(jìn)行集成仿真時(shí),可以接收SysML模型發(fā)出的信息指令,再將相關(guān)信息轉(zhuǎn)發(fā)給Simulink模型,從而實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)不同模型的集成仿真。
2)Simulink模型導(dǎo)入到SysML模型中[25]。由于Rhapsody工具具有“模型-代碼動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)”的特性以及“代碼自動(dòng)生成”的特點(diǎn),Simulink的Simulink Coder工具箱提供了將系統(tǒng)模型轉(zhuǎn)換為可優(yōu)化的嵌入式C/C++底層代碼的功能,且SysML建模語言通過添加配置文件(SysML profile)為相應(yīng)模型實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展機(jī)制[26]。因此,這為Simulink模型與SysML模型能夠?qū)崿F(xiàn)集成仿真奠定了基礎(chǔ)。首先重新設(shè)置Simulink模型的“Configuration Parameters”,點(diǎn)擊“Build model”生成含有底層代碼的rtw文件;然后將在Rhapsody中描述系統(tǒng)連續(xù)動(dòng)態(tài)行為模塊的“stereotype”設(shè)置成“SimulinkBlock”類型,導(dǎo)入“MATLAB.exe”,Simulink模型“.mdl”以及rtw文件中的模型代碼。從而實(shí)現(xiàn)了SysML模型與Simulink模型的集成。該集成方法的原理圖如圖2所示。
圖2 Simulink模型與SysML模型的集成原理圖
由于飛行器管理系統(tǒng)包含多種功能的傳感器,而且在其中不僅僅只包含傳感器子系統(tǒng),還包含其它子系統(tǒng),比如飛行控制系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等??紤]到后續(xù)還對(duì)飛行器管理系統(tǒng)中的其它類型傳感器以及其它子系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真,而MATLAB中Stateflow目前只能模擬單個(gè)對(duì)象的狀態(tài)切換,不能實(shí)現(xiàn)多個(gè)對(duì)象之間的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。
為了使已建的模型具有重用性、可擴(kuò)展性,因此,本課題擬采用第二種集成方法來實(shí)現(xiàn)飛行器管理系統(tǒng)傳感器不同層級(jí)模型的集成。
飛行器管理系統(tǒng)的傳感器具有以下特點(diǎn):①種類繁多;②易受外部環(huán)境因素的干擾;③具有自檢測功能;④容錯(cuò)重構(gòu)。因此,對(duì)飛行器管理系統(tǒng)傳感器進(jìn)行建模應(yīng)該包含有:
1)傳感器物理部件建模:通過對(duì)傳感器的結(jié)構(gòu)、工作原理等進(jìn)行機(jī)理分析,建立傳感器模型粒度盡可能小的數(shù)學(xué)模型,以充分體現(xiàn)傳感器的物理部件特性;
2)環(huán)境影響因素建模:需要考慮摩擦力、機(jī)體振動(dòng)、磁場環(huán)境、溫度等環(huán)境因素對(duì)傳感器的影響,在傳感器物理部件模型基礎(chǔ)上添加相應(yīng)的環(huán)境影響因素模型,提高傳感器模型的仿真度;
3)不同工作狀態(tài)建模:模擬真實(shí)傳感器的工作狀態(tài),包含正常狀態(tài)和故障狀態(tài);并且具有自檢測功能,能夠描述一些常見故障模式;
4)余度設(shè)計(jì):模型要體現(xiàn)系統(tǒng)的可靠性。
根據(jù)飛行器管理系統(tǒng)傳感器的功能需求,其用例模型中的用例主要有兩個(gè):1)正常檢測信號(hào);2)故障檢測與管理,其中故障檢測與管理用例又分為啟動(dòng)時(shí)故障檢測與管理(即自檢測)、工作過程中故障檢測與管理;與這些用例相關(guān)聯(lián)的參與者主要是被測對(duì)象、飛行器管理系統(tǒng)以及維修人員。得到相應(yīng)的飛行器管理系統(tǒng)傳感器用例模型視圖如圖3所示。
圖3 飛行器管理系統(tǒng)傳感器的用例模型視圖
基于SySML中ActionPin(行動(dòng)釘)的思想,即建立屬性標(biāo)簽steretyped ActorPin(角色釘),捕捉一個(gè)行動(dòng)在其所在環(huán)境中的交互行為。利用活動(dòng)圖來描述飛行器管理系統(tǒng)傳感器用例所對(duì)應(yīng)的功能流,如圖4所示為啟動(dòng)時(shí)傳感器故障檢測與管理用例的功能流。
圖4 啟動(dòng)時(shí)故障檢測與管理用例的活動(dòng)圖
應(yīng)用模塊定義圖建立系統(tǒng)相關(guān)需求的靜態(tài)結(jié)構(gòu)模型。如圖5所示為飛行器管理系統(tǒng)中傳感器與系統(tǒng)綜合處理器的頂層架構(gòu)。圖5中左側(cè)的兩個(gè)模塊分別代表了LVDT位移傳感器和MEMS傳感器的頂層框架,在模塊中分別定義對(duì)應(yīng)傳感器的屬性參數(shù),包括輸入信號(hào)、輸出信號(hào)以及傳感器內(nèi)各部件的相關(guān)參數(shù);同時(shí)也定義了傳感器的離散狀態(tài)行為,包括事件指令、操作函數(shù)。屬性參數(shù)表征傳感器真實(shí)部件的結(jié)構(gòu)尺寸或其它屬性的大小,通過修改部件的相關(guān)屬性參數(shù)值,可以獲得不同結(jié)構(gòu)、不同性能的傳感器;通過執(zhí)行操作函數(shù)可以修改傳感器相關(guān)屬性的參數(shù)值;通過事件指令可以觸發(fā)傳感器狀態(tài)之間的切換,因此可模擬傳感器由于某種因素從正常狀態(tài)切換到故障狀態(tài)的行為。本文只對(duì)系統(tǒng)中兩個(gè)傳感器進(jìn)行建模,其它傳感器可在圖5中進(jìn)行添加擴(kuò)展。
圖5 傳感器與系統(tǒng)綜合處理器的頂層架構(gòu)
另外,針對(duì)機(jī)載傳感器具有容錯(cuò)重構(gòu)的特點(diǎn),且其余度設(shè)置一般為雙余度或者三余度。因此,LVDT位移傳感器的雙余度模型和MEMS傳感器的三余度模型如圖6所示。
圖6 傳感器余度設(shè)計(jì)視圖
完成傳感器的靜態(tài)結(jié)構(gòu)建模之后,用狀態(tài)機(jī)圖模擬仿真?zhèn)鞲衅鞯碾x散動(dòng)態(tài)行為,如圖7所示為MEMS傳感器的離散動(dòng)態(tài)行為模型。模型中間通過虛線分開形成兩種主并發(fā)狀態(tài):“state1”和“state2”?!皊tate1”描述的是傳感器的兩種基本運(yùn)行狀態(tài),即關(guān)機(jī)狀態(tài)和工作狀態(tài);默認(rèn)情況下,傳感器處于關(guān)機(jī)狀態(tài);當(dāng)發(fā)送“evstart”事件指令時(shí),傳感器首先進(jìn)行自檢狀態(tài),若無部件發(fā)生故障,切換為“on”正常工作狀態(tài),此時(shí)“setup”函數(shù)為傳感器的相關(guān)屬性參數(shù)賦值,否則停止工作;此外,處于工作狀態(tài)的傳感器可通過函數(shù)將檢測信號(hào)發(fā)送給飛行器管理系統(tǒng)中的其它子系統(tǒng);當(dāng)執(zhí)行“evoff”事件指令時(shí),傳感器從工作狀態(tài)切換到關(guān)閉狀態(tài)?!皊tate2”實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的故障模式進(jìn)行建模,默認(rèn)傳感器為正常狀態(tài);當(dāng)注入故障事件時(shí),傳感器發(fā)生故障,從正常狀態(tài)切換為故障狀態(tài)。飛行器管理系統(tǒng)傳感器發(fā)生故障有很多原因,不同傳感器發(fā)生故障的原因也不盡相同。
圖7 MEMS陀螺儀的離散狀態(tài)行為模型
針對(duì)傳感器的連續(xù)動(dòng)態(tài)行為,本文將應(yīng)用Simulink工具對(duì)其進(jìn)行描述,同時(shí)在連續(xù)動(dòng)態(tài)行為模型中考慮傳感器在飛行器中可能受到的外部影響因素。以MEMS陀螺儀為實(shí)例。
首先對(duì)MEMS陀螺儀進(jìn)行機(jī)理分析。MEMS陀螺儀采用高頻諧振結(jié)構(gòu),一般由梳子狀驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和電容極板構(gòu)成的傳感結(jié)構(gòu)組成。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)迫使物體做徑向的運(yùn)動(dòng),橫向的電容板用來檢測由于橫向科里奧利運(yùn)動(dòng)引起的電容變化。因?yàn)榭剖搅徒撬俣瘸杀壤P(guān)系,進(jìn)而可以推算出角速度,從而達(dá)到測量角速度的目的。如圖8所示為MEMS陀螺儀的簡化動(dòng)力學(xué)模型[27]。
由此,得出對(duì)應(yīng)的MEMS陀螺儀的兩自由度剛體的運(yùn)動(dòng)表達(dá)式如下
(1)
y方向的位移將會(huì)引起檢測電容極板間距離的變化,從而引起電容發(fā)生變化,再添加檢測電路,最終通過輸出電壓,檢測電容的變化,從而可以檢測到角速率。其中電容與位移y之間的關(guān)系由電容的定義給出
(2)
(3)
對(duì)應(yīng)的輸出電壓則為
(4)
MEMS陀螺儀在工作過程中,會(huì)受到外部環(huán)境的影響。根據(jù)MEMS陀螺儀的工作原理,其中對(duì)其影響最大的環(huán)境因素是機(jī)體振動(dòng)。機(jī)體振動(dòng)會(huì)迫使驅(qū)動(dòng)質(zhì)量發(fā)生位移,引起檢測電容發(fā)生變化,從而導(dǎo)致MEMS陀螺儀的輸出信號(hào)有誤差。因此,在接下來所建的SIMULINK模型中,機(jī)體振動(dòng)將跟驅(qū)動(dòng)力F-Drive一起作用于驅(qū)動(dòng)質(zhì)量,來體現(xiàn)機(jī)體振動(dòng)對(duì)傳感器的影響。
此外,在使用MEMS陀螺儀過程中難免會(huì)因某種原因而出現(xiàn)故障,主要有:激勵(lì)電源過大、機(jī)體振動(dòng)過大、使用時(shí)長達(dá)到壽命周期、過載等。
基于上述的機(jī)理分析,在Simulink工具上對(duì)MEMS陀螺儀進(jìn)行連續(xù)動(dòng)態(tài)行為建模,得出其Simulink模型如圖9所示。圖中,考慮了機(jī)體振動(dòng)對(duì)MEMS陀螺儀的影響,根據(jù)實(shí)際中機(jī)體振動(dòng)對(duì)MEMS陀螺儀產(chǎn)生影響的特點(diǎn),本文擬在Simulink中用Uniform Random Number模塊生成均勻的隨機(jī)數(shù)來模擬機(jī)體振動(dòng)所產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的干擾力,同驅(qū)動(dòng)力F-Drive一起輸入到仿真模型中。
圖9 MEMS陀螺儀的Simulink模型
圖中:
“Ω”是待測角速度的接口;
“F-Drive”是驅(qū)動(dòng)部分中驅(qū)動(dòng)力的接口;
“mx、cx、kx”分別表示MEMS陀螺儀驅(qū)動(dòng)部分的驅(qū)動(dòng)質(zhì)量、阻尼力系數(shù)和彈性系數(shù);
“my、cy、ky”分別是MEMS陀螺儀檢測部分的感應(yīng)質(zhì)量、阻尼力系數(shù)和彈性系數(shù);
“d0”表示電容極板間距;
“VDC”表示感應(yīng)質(zhì)量塊位移的檢測電路的激勵(lì)電壓的接口;
“Out”表示MEMS陀螺儀的輸出信號(hào)接口。
根據(jù)SysML模型與Simulink模型集成的第二種方法,先重新設(shè)置Simulink模型的Configuration Parameters,啟動(dòng)模型編譯“Build model”生成模型對(duì)應(yīng)的rtw文件,生成的rtw文件中所包含的底層代碼具體如下圖10所示:
圖10 rtw文件包含底層代碼的示意圖
再將底層代碼導(dǎo)入SysML模型,得到圖11中右邊模塊。此時(shí),該模塊代替main函數(shù),來調(diào)用Simulink模型,從而實(shí)現(xiàn)了SysML模型與Simulink模型的集成仿真。另外,為實(shí)現(xiàn)兩個(gè)模塊數(shù)據(jù)之間無縫傳輸,需要傳遞的屬性參數(shù)的數(shù)據(jù)類型一致。
圖11 SysML模型與Simulink模型的集成結(jié)構(gòu)示意圖
給上述MEMS陀螺儀模型的相關(guān)屬性參數(shù)賦值,并進(jìn)行仿真,得到模型的輸出電壓信號(hào)曲線如圖12所示。圖中,藍(lán)色曲線表示不考慮環(huán)境因素影響下模型的輸出曲線,紅色曲線表示在考慮機(jī)體振動(dòng)干擾下MEMS陀螺儀模型的輸出曲線。圖13所示為MEMS陀螺儀正常工作時(shí)的狀態(tài)圖。當(dāng)MEMS陀螺儀發(fā)生故障的條件滿足時(shí),則其從正常狀態(tài)切換為故障狀態(tài),并通過OPORT函數(shù)調(diào)用下個(gè)余度傳感器。如圖14表示的是:傳感器由于激勵(lì)電源過大,從而突發(fā)故障。其正確地模擬了真實(shí)傳感器的狀態(tài)邏輯關(guān)系。
圖12 在不同條件下MEMS陀螺儀模型的輸出信號(hào)曲線圖
圖13 MEMS陀螺儀正常工作狀態(tài)圖
圖14 MEMS陀螺儀突發(fā)故障狀態(tài)切換圖
本文基于MBSE思想,提出一種高度還原飛行器管理系統(tǒng)傳感器特性的建模方法,并給出建模步驟?;赟ysML構(gòu)建飛行器管理系統(tǒng)傳感器與其它子系統(tǒng)的頂層結(jié)構(gòu),并實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳感器的物理部件、不同工作狀態(tài)、余度設(shè)計(jì)等特性進(jìn)行建模;借助Simulink工具對(duì)傳感器的連續(xù)狀態(tài)行為建模,模型中考慮了環(huán)境影響因素;研究了SysML模型與Simulink模型的集成仿真技術(shù);最后,以MEMS陀螺儀傳感器為實(shí)例,在機(jī)理分析的指導(dǎo)下建模,并集成仿真驗(yàn)證。通過仿真,驗(yàn)證了所建的傳感器模型輸出信號(hào)曲線的真實(shí)性、狀態(tài)邏輯的準(zhǔn)確性;提高了飛行器管理系統(tǒng)傳感器模型的仿真度。結(jié)果表明,該方法不僅實(shí)現(xiàn)描述傳感器的不同工作狀態(tài),而且對(duì)余度設(shè)計(jì)進(jìn)行了模擬,模型中還考慮了環(huán)境影響因素。