當(dāng)歐洲航天局（ESA）航天火箭，如 Ariane 5 或者 Vega 等將衛(wèi)星載荷送入軌道時，姿控系統(tǒng)（ACS）管理并定位載荷，控制它從火箭上面級分離。除定位載荷外，ACS 還必須識別并管理與分離過程相關(guān)的問題、推進(jìn)劑的晃動，以及廣泛存在的硬件故障。

歐洲航天局未來發(fā)射預(yù)備方案（FLPP）對能降低成本增加發(fā)射能力的新技術(shù)進(jìn)行評估。

為了發(fā)展未來復(fù)雜的軌道飛行任務(wù)，一個特別的 FLPP 項(xiàng)目開始實(shí)施，它致力于發(fā)展上面級姿態(tài)控制和設(shè)計(jì)框架（USACDF）。框架是基于模型設(shè)計(jì)的，使用了 MATLAB和Simulink，包含了多域物理模型，如分離機(jī)制、基于熱力學(xué)的推進(jìn)和基于計(jì)算流體動力學(xué)（CFD）的油箱液體晃動，建立在正常運(yùn)行和故障條件下控制軟件的閉環(huán)系統(tǒng)級仿真。

“在過去，控制工程師很難在不同領(lǐng)域如流體動力學(xué)、力學(xué)、熱、推進(jìn)和其他學(xué)科之間進(jìn)行切換和整合，”ESA 的制導(dǎo)與控制系統(tǒng)工程師 Samir Bennani 說。“基于模型設(shè)計(jì)使我們能夠跨越多個學(xué)科，從規(guī)范跟蹤到設(shè)計(jì)、直至通過處理器在環(huán)測試進(jìn)行驗(yàn)證，在整個流程中使用相同的環(huán)境?！?/p>

挑戰(zhàn)

當(dāng)載荷從運(yùn)載火箭上面級分離時，即使是很小的故障也會導(dǎo)致不可預(yù)料的事件。例如，一個破碎的彈簧或一個失效的起爆栓，都可能導(dǎo)致載荷發(fā)生計(jì)劃外的自旋。在過去，有一個獨(dú)立的工程小組進(jìn)行分離力學(xué)分析，并為控制工程師提供書面結(jié)果。

ESA 和空中客車希望通過物理模型模擬分離故障，以測試控制器檢測故障和采取糾正措施的能力。它們還需要模擬晃動的推進(jìn)劑、管道泄漏、堵塞的閥門以及一系列其他故障。此外，他們還希望進(jìn)行優(yōu)化以識別系統(tǒng)出現(xiàn)故障時的最壞情況。

歐洲航天局和空中客車公司的工程師試圖盡早在飛行計(jì)算機(jī)硬件上測試他們的控制算法。隨著控制算法的復(fù)雜性增加，它們可能突破處理器性能和其他計(jì)算資源的極限。在設(shè)計(jì)控制器時，工程師需要在典型的飛行計(jì)算機(jī)上驗(yàn)證算法性能和資源利用率，這是問題最容易被糾正的時候。

解決方案

ESA 和空客的工程師用MATLAB和Simulink使用基于模型設(shè)計(jì)來創(chuàng)建 USACDF，以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)模擬和用物理模型進(jìn)行控制算法驗(yàn)證。

在Simulink中，工程師能夠補(bǔ)償推進(jìn)劑分配不均引起的動態(tài)不平衡。他們將植物模型耦合到一個計(jì)算流體動力學(xué)（CFD）求解器，分析了通過閉環(huán)模擬的推進(jìn)劑晃動的影響。

他們使用Simulink Design Optimization進(jìn)行優(yōu)化，通過確定質(zhì)量的值、重心偏移以及其他系統(tǒng)不確定性等導(dǎo)致系統(tǒng)的指向誤差最大化的因子，來找到分離過程中的最壞情況。

任務(wù)和運(yùn)載管理狀態(tài)機(jī)是在Statflow中開發(fā)的，對序貫決策邏輯正常操作和故障模式進(jìn)行了建模。

團(tuán)隊(duì)將注釋添加到模型中,并使用Simulink Requirements將模型元素鏈接到系統(tǒng)需求，該需求使用 MicrosoftWord文檔編寫。之后，該團(tuán)隊(duì)使用Simulink Report Generator生成報(bào)告文檔，報(bào)告包含注釋、鏈接的要求、以及每個要求的仿真結(jié)果。

“基于模型設(shè)計(jì)增加了作為工程師的我的能力范圍。作為一個獨(dú)立的控制工程師，我可以做以前需要幾個工程師才能完成的工作，因?yàn)槲铱梢越⒆约旱亩嘤蚰Ｐ?，并進(jìn)行仿真。專業(yè)領(lǐng)域間不再存在交流障礙，我可以更好地溝通，并做出跨領(lǐng)域的貢獻(xiàn)。”

——Hans Strauch, Airbus D&S

工程師使用Simscape Multibody為分離機(jī)制創(chuàng)建一個三維機(jī)械模型，使用Simscape Fluids進(jìn)行低溫氣體和肼推進(jìn)器的管道及閥門建模。它們的Simscape模型包括管道泄漏、阻塞閥和其他分離故障。這使他們能夠更全面地訓(xùn)練他們的控制算法。

他們使用Embedded Coder從控制器模型生成 C 代碼，使用Polyspace Bug Finder對代碼的運(yùn)行時錯誤進(jìn)行檢查。使用軟件在環(huán)測試驗(yàn)證該代碼后，該團(tuán)隊(duì)在 dSPACE硬件對它進(jìn)行實(shí)時測試，然后使用ESA LEON2處理器進(jìn)行了處理器在環(huán)測試。

由此產(chǎn)生的 USACDF 被用來做復(fù)雜軌道服務(wù)任務(wù)操作概念的示范。

結(jié)果

設(shè)計(jì)迭代時間從一周減少到一天?！霸诨谀Ｐ驮O(shè)計(jì)中，我可以在一天內(nèi)完成設(shè)計(jì)迭代，使用以前的方法這需要一個星期的時間，”空客高級 GNC 專家 Hans Strauch 說。Bennani 補(bǔ)充說:“我們需要的迭代比以前少，因?yàn)槲覀兛梢詧?zhí)行跨越多個域的仿真。”

對失效模式進(jìn)行了建模及消除。“在 Simulink 中進(jìn)行的閉環(huán)模擬使我們能夠回答系統(tǒng)級的問題，我們以前無法以這種精確的方式回答問題，”Bennani 說。“我們可以向系統(tǒng)工程師解釋在復(fù)雜的操作過程中可能出現(xiàn)的問題，并在高水平上顯示選擇的特定設(shè)計(jì)得到的效果?！?/p>

建立了全面的設(shè)計(jì)框架?！盎谀Ｐ驮O(shè)計(jì)，使我們能夠創(chuàng)建一個框架，用于設(shè)計(jì)具有最新的魯棒控制設(shè)計(jì)算法的飛行控制器、創(chuàng)建多域物理模型、通過優(yōu)化調(diào)整設(shè)計(jì)、為目標(biāo)硬件的處理器在環(huán)（PIL）測試生成代碼，所有的工作都在相同的環(huán)境下進(jìn)行?！?Strauch 說。