关于基于模型设计创建上面级姿态控制开发框架分析和应用

当欧洲航天局（ESA）航天火箭，如 Ariane 5 或者 Vega 等将卫星载荷送入轨道时，姿控系统（ACS）管理并定位载荷，控制它从火箭上面级分离。除定位载荷外，ACS 还必须识别并管理与分离过程相关的问题、推进剂的晃动，以及广泛存在的硬件故障。

欧洲航天局未来发射预备方案（FLPP）对能降低成本增加发射能力的新技术进行评估。

为了发展未来复杂的轨道飞行任务，一个特别的 FLPP 项目开始实施，它致力于发展上面级姿态控制和设计框架（USACDF）。框架是基于模型设计的，使用了 MATLAB 和 Simulink，包含了多域物理模型，如分离机制、基于热力学的推进和基于计算流体动力学（CFD）的油箱液体晃动，建立在正常运行和故障条件下控制软件的闭环系统级仿真。

“在过去，控制工程师很难在不同领域如流体动力学、力学、热、推进和其他学科之间进行切换和整合，”ESA 的制导与控制系统工程师 Samir Bennani 说。“基于模型设计使我们能够跨越多个学科，从规范跟踪到设计、直至通过处理器在环测试进行验证，在整个流程中使用相同的环境。”

挑战

当载荷从运载火箭上面级分离时，即使是很小的故障也会导致不可预料的事件。例如，一个破碎的弹簧或一个失效的起爆栓，都可能导致载荷发生计划外的自旋。在过去，有一个独立的工程小组进行分离力学分析，并为控制工程师提供书面结果。

ESA 和空中客车希望通过物理模型模拟分离故障，以测试控制器检测故障和采取纠正措施的能力。它们还需要模拟晃动的推进剂、管道泄漏、堵塞的阀门以及一系列其他故障。此外，他们还希望进行优化以识别系统出现故障时的最坏情况。

欧洲航天局和空中客车公司的工程师试图尽早在飞行计算机硬件上测试他们的控制算法。随着控制算法的复杂性增加，它们可能突破处理器性能和其他计算资源的极限。在设计控制器时，工程师需要在典型的飞行计算机上验证算法性能和资源利用率，这是问题最容易被纠正的时候。

解决方案

ESA 和空客的工程师用MATLAB 和 Simulink 使用基于模型设计来创建 USACDF，以实现闭环模拟和用物理模型进行控制算法验证。

在Simulink 中，工程师能够补偿推进剂分配不均引起的动态不平衡。他们将植物模型耦合到一个计算流体动力学（CFD）求解器，分析了通过闭环模拟的推进剂晃动的影响。

他们使用Simulink Design Optimization进行优化，通过确定质量的值、重心偏移以及其他系统不确定性等导致系统的指向误差最大化的因子，来找到分离过程中的最坏情况。

任务和运载管理状态机是在Statflow 中开发的，对序贯决策逻辑正常操作和故障模式进行了建模。

团队将注释添加到模型中,并使用Simulink Requirements将模型元素链接到系统需求，该需求使用 MicrosoftWord 文档编写。之后，该团队使用Simulink Report Generator生成报告文档，报告包含注释、链接的要求、以及每个要求的仿真结果。

“基于模型设计增加了作为工程师的我的能力范围。作为一个独立的控制工程师，我可以做以前需要几个工程师才能完成的工作，因为我可以建立自己的多域模型，并进行仿真。专业领域间不再存在交流障碍，我可以更好地沟通，并做出跨领域的贡献。” 

—— Hans Strauch, Airbus D&S  

工程师使用 Simscape Multibody 为分离机制创建一个三维机械模型，使用 Simscape Fluids 进行低温气体和肼推进器的管道及阀门建模。它们的 Simscape 模型包括管道泄漏、阻塞阀和其他分离故障。这使他们能够更全面地训练他们的控制算法。

他们使用 Embedded Coder 从控制器模型生成 C 代码，使用 Polyspace Bug Finder 对代码的运行时错误进行检查。使用软件在环测试验证该代码后，该团队在 dSPACE 硬件对它进行实时测试，然后使用ESA LEON2处理器进行了处理器在环测试。

由此产生的 USACDF 被用来做复杂轨道服务任务操作概念的示范。

结果

设计迭代时间从一周减少到一天。“在基于模型设计中，我可以在一天内完成设计迭代，使用以前的方法这需要一个星期的时间，”空客高级 GNC 专家 Hans Strauch 说。Bennani 补充说:“我们需要的迭代比以前少，因为我们可以执行跨越多个域的仿真。”

对失效模式进行了建模及消除。“在 Simulink 中进行的闭环模拟使我们能够回答系统级的问题，我们以前无法以这种精确的方式回答问题，”Bennani 说。“我们可以向系统工程师解释在复杂的操作过程中可能出现的问题，并在高水平上显示选择的特定设计得到的效果。”

建立了全面的设计框架。“基于模型设计，使我们能够创建一个框架，用于设计具有最新的鲁棒控制设计算法的飞行控制器、创建多域物理模型、通过优化调整设计、为目标硬件的处理器在环（PIL）测试生成代码，所有的工作都在相同的环境下进行。” Strauch 说。