CN107357961A - 基于Modelica模型的航天器推进系统动态分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Modelica模型的航天器推进系统动态分析方法，其包括以下步骤：1）确定模型目标；2）构建概念模型；3）系统分解；4）建立基础模型；5）设计连接器；6）建立组件模型；7）建立介质模型；8）建立系统模型和9）开展仿真分析。该方法将航天器推进系统建模仿真理论和Modelica技术体系相结合，采用面向对象的陈述式方法构建推进系统的动态模型。本发明的非因果特性使得建模工程师无需对推进系统进行解耦，不指定模型的输入输出变量和方程求解顺序，在求解时仿真系统会根据方程系统数据流环境确定方程求解顺序，这样有效地降低推进系统动态模型构建的难度和复杂度，提高模型的重用性和扩展性。

Description

基于Modelica模型的航天器推进系统动态分析方法

技术领域

本发明涉及一种航天器推进系统动态分析方法，具体而言是涉及一种基于Modelica模型的航天器推进系统动态分析方法。

背景技术

Modelica是国际仿真界于1997年提出的一种开放的全新多领域统一建模语言，它归纳和统一了先前多种建模语言，且融合了键合图的非因果建模思想、Java语言的面向对象技术和Matlab的数值与矩阵机制，因而具备极其强大的建模功能。面向对象性和非因果性是Modelica 语言最大的优点。面向对象的建模方法具有数据封装、分层、连接和继承等特征，易于减少错误的发生并容易实现模型的重用。所谓非因果性建模，就是以一种中性、自然的形式表达模型方程，从而不必更多的考虑计算顺序，避免了对模型方程的繁琐推导，从而提高了建模效率，并使部件模型易于被重复使用。Modelica语言采用陈述式、基于方程的非因果建模方法建立模型，通过定义接口，使模型接口的标准化，因此采用Modelica建模可以使物理系统各子系统之间既能完全独立又可互相统一。

基于扩展性的考虑，Modelica支持以外部函数的方式调用C/C++、Python等多种编程语言函数，在传统的Modelica语言建模工具软件中，仅支持以文本编辑的方式引入外部函数，需要以Modelica语言编码制定外部函数的来源、参数和描述信息等，若能以图形化的方式进行外部函数编辑，不仅能够提高界面友好性，使软件易于上手，对于不熟悉Modelica语法的使用者来说，还能自动根据用户图形化操作生成Modelica代码，减少工作量。

航天器推进系统动态特性是推进系统的一项重要性能指标，动态特性的好坏直接影响到系统能否正常工作，故对其研究已成为推进系统设计的重要课题。

早期，对推进系统的研究主要采用工程试验方法，工程试验在提高系统性能、安全性、可靠性和经济性等方面存在着一定的局限，例如需要建立整套试验系统，并且物理系统的结构和参数改变比较困难。随着推进系统动态理论研究的不断深化和软件工具在数值分析方面能力的不断提高，现阶段提出了基于模型的动态分析方法，该方法着眼于将推进系统的物理理论转化为数学模型，通过软件工具对数学模型的编译求解分析，模拟推进系统的动态工作过程，可以很好地评估和分析推进系统的动态性能，进而辅助系统的优化设计、试验验证和运行管理，减少系统试验次数和风险、有效的缩短系统研制周期、降低系统研制成本和提高产品性能质量。

在进行基于模型的推进系统动态分析过程中，目前主要采用因果式建模方法（即过程式建模方法）来实现模型的开发。因果式建模方法不仅需要工程师对复杂的推进系统进行解耦，清楚地定义模型的输入输出和方程的求解顺序，而且需要工程师掌握复杂系统模型的编译和求解技术。对于推进系统这样大型的复杂耦合系统，此方法导致建模过程复杂困难，而且所开发的模型重用性、通用性和扩展性低，在模块化、参数化方面不足。在基于模型的推进系统动态分析中，工程师们面临着以上的困难。实现推进系统的非因果建模方法，势必会大大降低建模过程的难度和复杂度，提高模型的重用性和扩展性，为基于模型的推进系统动态分析提供高效的途径。

发明内容

为克服现有技术中基于模型的航天器推进系统动态分析方法中因果式建模方法的不足，本发明提出了一种基于Modelica模型的航天器推进系统动态分析方法，该方法将航天器推进系统建模仿真理论和Modelica技术体系相结合，采用面向对象的陈述式方法构建推进系统的动态模型。本发明的非因果特性使得建模工程师无需对推进系统进行解耦，不指定模型的输入输出变量和方程求解顺序，在求解时仿真系统会根据方程系统数据流环境确定方程求解顺序，这样有效地降低推进系统动态模型构建的难度和复杂度，提高模型的重用性和扩展性。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种基于Modelica模型的航天器推进系统动态分析方法，其包括以下步骤：1）确定模型目标；2）构建概念模型；3）系统分解；4）建立基础模型；5）设计连接器；6）建立组件模型；7）建立介质模型；8）建立系统模型和9）开展仿真分析。

本发明的动态分析方法的设计思路如下：

包含了以下三大部分内容：推进系统模型设计分解、基于Modelica语言的推进系统模型实现以及基于推进系统模型的动态分析方法。

1）推进系统模型设计分解

在充分考虑模型重用性的基础上，提出了数据抽象、流体设备分离的设计分解思想，并按照产品的真实拓扑结构进行系统分解。基于上述思想，将航天器推进系统分解为以下几大类：流体工质模型、抽象模型、元件模型、系统模型，所述元件模型又可以分为气瓶、贮箱、管道、阀门、推力室，元件模型与物理设备一一对应。

2）基于Modelica模型的推进系统模型实现

结合上述提到的模型设计分解策略，利用Modelica模型开发了适用于动态分析的推进系统模型库。整个模型库在充分提取对象的公用特征的基础上，开发了常用的流体工质模型以及元件模型，最后将各个子库有序的整合起来形成一个整体，以便于模型库的管理、使用和扩充。

3） 基于推进系统模型的动态分析方法

在建立了动态分析系统模型库后，根据特定型号推进系统的组成结构，利用组件模型可以快速组合搭建系统模型，组件与组件之间通过连接器连接，通过这种连接关系在系统中自动建立起能量平衡方程。

进一步的，本发明以多领域系统建模仿真软件MWorks为支撑工具，以动态分析系统模型为载体，通过参数配置、模型编译求解完成动态分析。

所述连接器是组件模型的一部分，作为组件与外界进行信息传递的桥梁，组件之间的通讯交互通过连接器来实现，连接器中包含连接中需要描述的各种物理量，如电子元件中的电压与电流，驱动元件中的角度与扭矩，液压流体元件中的压力和流量。

所述数据抽象，即将元件模型中公用特征抽离出来用一个抽象模型进行表达，数据抽象是提高模型重用性的重要手段。

所述流体设备分离，即将流体与设备模型分开进行建模，在模型实例化的过程中声明流体工质。

所述推进系统模型库包含了推进系统抽象接口模型、各类元件模型、流体工质以及挤压式双组元系统模型。

所述能量平衡方程，定义了系统总压降与各元件压降之间的关系，即，该公式是动态分析的理论基础。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、通过本发明所提出的航天器推进系统动态分析方法的应用，推进系统的每个组件模型都是独立的模型，以物理上最自然的方式单独开发，不用明确定义输入输出变量和方程求解顺序；组件模型与外界的通讯交互通过非因果的连接器机制实现，整个方程系统只在求解时由仿真系统根据数据流环境自动确定变量的因果关系。根据系统的拓扑结构，组件模型可以组合快速构建任何型号的推进系统模型。

2、对于推进系统这样大型的复杂系统，无需对系统进行解耦和规定组件输入输出及方程求解顺序，本发明大大地降低推进系统模型构建的难度和复杂度，减轻建模工作量，也避免了人工指定求解顺序时引起的错误，显著地提高模型的重用性、可扩展性、灵活性和知识积累能力，在建模仿真系统的支持下，实现模块化、参数化和可视化。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1 为典型的泵压式推进系统。

图2 为本发明的航天器推进系统组件分解示意图。

图3 为本发明的管道阀门简单示意图。

图4 为本发明的连接器类型及其变量示意图。

图5 为本发明的推进系统模型库树状结构示意图。

图6 为设备模型和工质模型分离示意图。

图7 为一实施例的推进系统模型。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。

一种基于Modelica的航天器推进系统动态分析方法，主要包括以下实施步骤，以实现非因果式推进系统模型库的构建。

1）确定模型目标：根据航天器推进系统动态分析的任务，确定航天器推进系统模型的目标和扩展用途，必须明确通过模型能获得的信息和模型不需要考虑的信息。

2）构建概念模型：概念模型是推进系统的原理框图，辅助分析航天器推进系统主要现象的原理和机制，帮助工程师全面了解物理系统，反映建模思路，如图1所示。

3）系统分解：首先进行组件分解，如图2所示，根据推进系统结构的物理边界和模型假设，将推进系统分解为典型组件，包括气瓶、贮箱、阀门、热力组件、管道、阀门等。以图3管道和阀门简单示意图为例，从结构上来看两者都包含一进一出两个流体接口，但是其内部流量压差特性有所不同，如果能够将两者相同的部分抽离出来，作为公用的抽象模型C，在建立模型A和模型B时，只需要在继承公用模型C的基础上添加自身约束方程即可，而不需要在模型A和B中分别建立模型C，这种做法将大大提高建模的效率，避免很多重复性的工作。另外，在实际流体系统中，不同系统模型所用的流体模型可能不同，且元件模型的某些计算过程往往依赖流体物性参数。还是以图3管道为例，假设系统中管道模型共有m个类型，而流体工质模型有n个类型，如果不将流体与元件分离，每个类型的管道都需要建立n个流经不同流体的模型，总共需要建立的模型数目为（个），若采用两者分离的建模方法，则只需要建立m+n个模型，然后根据工程需求在模型实例化的时候对流体进行声明。

系统分解得到的组件能够反映系统自然的物理边界，这样能够帮助构建系统模型。在组件分解的基础，为了建模需要，进行主体分解。主体分解是将一部分模型共同的属性集合在一起，形成“超级模型”，用于重用，例如容积基类模型、流动基类模型、连接器模板模型等。

4）建立基础模型：基础模型是推进系统模型库中最小的构造单元，这些基础模型可以连接构建上一级的模型，组件模型通常由更通用化的基础模型组成。划分基础模型和组件模型的原则是以简单的模型为起点，根据需求逐渐增加模型的复杂度。航天器推进系统模型库的主要基础模型是容积模型、流动模型和传热模型，容积模型表示流体的能量守恒和质量守恒属性，流动模型表示流体的动量守恒属性，传热模型表示流体与固体表面的传热属性。

5）设计连接器：组件通过连接器与相连的组件交互通讯。本阶段需要设计推进系统模型的所有连接器，并确定一组合理的连接器变量。连接器应该使组件连接变得简单自然，对于物理组件模型的连接器，必须在物理上能够连接组件。推进系统模型的连接器有四种，如图4所示：流体连接器、热连接器、平动机械连接器和转动机械连接器。连接器的变量分为两种，即流变量和势变量。同类型的连接器可以根据需要自由连接，流变量和势变量遵守广义基尔霍夫定律，连接会生成非因果的连接方程，无需指定求解顺序。

6）建立组件模型：至此，已经具有了建立推进系统组件模型的基础，包括基础模型、连接器和建模方法等。推进系统的每个组件模型都以面向对象的陈述式推进系统建模方法单独建立，不依赖于外界环境。首先将组件的物理模型转化为以方程表达的数学模型，然后将数学模型转化为合理的数值模型，给定合理的边界条件和初始值，数值模型是可以直接仿真。最后采用Modelica模型将数值模型加以实现，得到组件模型。组件模型的每个数学方程都以最自然的形式独立编写，不指定方程求解顺序和输出输入变量，具有非因果特性。方程尽量与书本和文献中的形式一致，保证可读性和知识积累效果。逐个建立所有的组件模型，并将组件模型通过一定的分类方式以模型库进行管理，得到如图5所示的推进系统模型库。

组件模型需要连接到系统模型中去仿真，将组件的仿真结果与期望的理论结果进行比对，如果两者符合，表示组件模型得到验证；如果两个不符合，组件模型需要重新修改和完善，直到组件模型达到要求。

7）建立介质模型：为了提高模型的重用度和建模效率，推进系统模型库延用Modelica标准库中的“设备模型与工质模型解耦”的思想，利用Modelica 的多重继承以及重声明机制，将流体物性模型与设备模型进行分离建模，设备模型内含有何种流体在设备模型使用时方可确定，如图6。

8）建立系统模型：根据推进系统的拓扑结构，将组件模型进行组合和连接，建立一种实际的推进系统的模型，对其进行仿真研究，图7所示为推进系统模型。对比仿真结果与系统预期理论特性，并根据仿真结果对系统模型进行调整，直到符合理论要求。

9）开展仿真分析：系统模型验证完成后，就可以根据推进系统动态分析的任务要求，开展相关的仿真分析，通过模型获取所需的信息和知识。

推进系统建模仿真系统是基于Modelica模型的挤压式双组元推进系统动态分析方法得以实现的软件平台，提供模型开发、管理、编译、求解和后处理的一系列功能。建模仿真系统由数据层、功能支撑层和交互层组成，可以达到将逻辑与数据分离、底层与逻辑分离、显示与逻辑分离的良好扩展性的效果。数据层是软件数据的存储和获取的来源，其中主要包括模型库、数据库。模型库是基于文件的关系数据库，模型库主要保存热力组件、阀门组件、介质模型、管道组件和容器组件等模型。功能支撑层主要为用户层提供数据管理、功能支撑和扩展接口。主要包括模型库操作模块、仿真控制模块等。交互层是平台与用户的界面交互、界面显示的功能层。主要包括模型图形编辑视图、模型文本编辑视图、模型(库)浏览器、组件浏览器、参数编辑面板等。

运用面向对象的陈述式推进系统建模方法构建的推进系统动态模型具有非因果特性，推进系统建模仿真系统在模型求解过程中才会根据数据流环境确定方程的求解顺序。模型的编译求解过程大致分为编译、分析优化和仿真求解三个阶段，确定方程系统的求解顺序在分析优化和仿真求解两个阶段内完成。编译阶段又细分为词法分析、语法分析、语义分析和平坦化，得到平坦的微分代数方程组。编译结束后，进入分析优化阶段，对模型进行相容性分析、符号简化和指标约减，得到一个可求解的方程子集序列。最后，求解器根据方程子集的数据依赖关系，结合数值求解包提供的函数，形成模型的求解算法流程和控制策略。这样就确定了输入输出变量和方程求解顺序。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.基于Modelica模型的航天器推进系统动态分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）确定模型目标：根据航天器推进系统动态分析的任务，确定推进系统模型的目标和扩展用途，明确通过模型能获得的信息和模型不需要考虑的信息；

2）构建概念模型：所述概念模型是推进系统的原理框图，用于辅助分析所述航天器推进系统主要现象的原理和机制，帮助工程师全面了解物理系统，反映建模思路；

3）系统分解：首先进行组件分解，根据所述航天器推进系统结构的物理边界和模型假设，将所述航天器推进系统分解为典型组件；

4）建立基础模型：划分基础模型和组件模型的原则是以简单的模型为起点，根据需求逐渐增加模型的复杂度，所述航天器推进系统模型库的主要基础模型包括容积模型、流动模型和传热模型，所述容积模型表示流体的能量守恒和质量守恒属性，所述流动模型表示流体的动量守恒属性，所述传热模型表示流体与固体表面的传热属性；

5）设计连接器：组件通过所述连接器与相连的组件交互通讯，所述连接器应该使组件连接变得简单自然，对于物理组件模型的连接器，必须在物理上能够连接组件，所述连接器有流体连接器、热连接器、平动机械连接器和转动机械连接器，所述连接器的变量分为两种，即流变量和势变量；同类型的连接器可以根据需要自由连接，流变量和势变量遵守广义基尔霍夫定律，连接会生成非因果的连接方程，无需指定求解顺序；

6）建立组件模型：所述航天器推进系统的每个组件模型都以面向对象的陈述式推进系统建模方法单独建立，不依赖于外界环境，首先将组件的物理模型转化为以方程表达的数学模型，然后将所述数学模型转化为合理的数值模型，给定合理的边界条件和初始值，所述数值模型是可以直接仿真的，最后采用Modelica语言将所述数值模型加以实现，得到组件模型，将所述组件模型以模型库进行管理，得到航天器推进系统模型库；

7）建立介质模型：利用Modelica模型的多重继承以及重声明机制，将流体物性模型与设备模型进行分离建模，设备模型内含有何种流体在设备模型使用时方可确定；

8）建立系统模型：根据所述航天器推进系统的拓扑结构，将所述组件模型进行组合和连接，建立一种实际的推进系统的模型，对其进行仿真研究，对比仿真结果与系统预期理论特性，并根据仿真结果对系统模型进行调整，直到符合理论要求；

9）开展仿真分析：系统模型验证完成后，根据航天器推进系统动态分析的任务要求，开展相关的仿真分析，通过模型获取所需的信息和知识。

2.根据权利要求1所述的基于Modelica模型的航天器推进系统动态分析方法，其特征在于：在充分考虑模型重用性的基础上，将系统分解为典型组件，所述典型组件包括以下几大类：流体工质模型、抽象模型、元件模型和系统模型，所述元件模型又可以分为气瓶、贮箱、管道、阀门和推力室，所述元件模型与物理设备一一对应。