當歐洲航天局（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的問題、推進劑的晃動，以及廣泛存在的硬件故障。

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

為了發(fā)展未來復雜的軌道飛行任務，一個特別的 FLPP 項目開始實施，它致力于發(fā)展上面級姿態(tài)控制和設計框架（USACDF）。框架是基于模型設計的，使用了 MATLAB和Simulink，包含了多域物理模型，如分離機制、基于熱力學的推進和基于計算流體動力學（CFD）的油箱液體晃動，建立在正常運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域如流體動力學、力學、熱、推進和其他學科之間進行切換和整合，”ESA 的制導與控制系統(tǒng)工程師 Samir Bennani 說。“基于模型設計使我們能夠跨越多個學科，從規(guī)范跟蹤到設計、直至通過處理器在環(huán)測試進行驗證，在整個流程中使用相同的環(huán)境。”

挑戰(zhàn)

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

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算機硬件上測試他們的控制算法。隨著控制算法的復雜性增加，它們可能突破處理器性能和其他計算資源的極限。在設計控制器時，工程師需要在典型的飛行計算機上驗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使用基于模型設計來創(chuàng)建 USACDF，以實現(xiàn)閉環(huán)模擬和用物理模型進行控制算法驗證。

在Simulink中，工程師能夠補償推進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算流體動力學（CFD）求解器，分析了通過閉環(huán)模擬的推進劑晃動的影響。

他們使用Simulink Design Optimization進行優(yōu)化，通過確定質量的值、重心偏移以及其他系統(tǒng)不確定性等導致系統(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。

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

團隊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，該團隊使用Simulink Report Generator生成報告文檔，報告包含注釋、鏈接的要求、以及每個要求的仿真結果。

“基于模型設計增加了作為工程師的我的能力范圍。作為一個獨立的控制工程師，我可以做以前需要幾個工程師才能完成的工作，因為我可以建立自己的多域模型，并進行仿真。專業(yè)領域間不再存在交流障礙，我可以更好地溝通，并做出跨領域的貢獻。”

——Hans Strauch, Airbus D&S

工程師使用Simscape Multibody為分離機制創(chuàng)建一個三維機械模型，使用Simscape Fluids進行低溫氣體和肼推進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對代碼的運行時錯誤進行檢查。使用軟件在環(huán)測試驗證該代碼后，該團隊在 dSPACE硬件對它進行實時測試，然后使用ESA LEON2處理器進行了處理器在環(huán)測試。

由此產生的 USACDF 被用來做復雜軌道服務任務操作概念的示范。

結果

設計迭代時間從一周減少到一天。“在基于模型設計中，我可以在一天內完成設計迭代，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 補充說:“我們需要的迭代比以前少，因為我們可以執(zhí)行跨越多個域的仿真。”

對失效模式進行了建模及消除。“在 Simulink 中進行的閉環(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計得到的效果。”

建立了全面的設計框架。“基于模型設計，使我們能夠創(chuàng)建一個框架，用于設計具有最新的魯棒控制設計算法的飛行控制器、創(chuàng)建多域物理模型、通過優(yōu)化調整設計、為目標硬件的處理器在環(huán)（PIL）測試生成代碼，所有的工作都在相同的環(huán)境下進行。” Strauch 說。