CN108732938A - 基于Modelica模型的航天器动力学与控制模型库构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Modelica模型的航天器动力学与控制模型库构建方法，其包括以下方法：系统分解：将航天器动力学与控制系统进行分解，为构建层次化的、可重用的、可扩展的模型库构架做准备，模型库构架包括姿轨控管理单元模型、推力器模型、力矩陀螺模型、动力学模型、轨道模型、太阳敏感器模型、地球敏感器模型、星敏感器模型和太阳翼帆板模型；基础模型构建；建立单机模型；单机模型验证；建立系统模型和开展仿真分析。因此，本发明是基于同一平台的建模方法，能够实现航天器动力学与控制的无缝集成，可以有效降低构建航天器动力学与控制模型库的难度和复杂度，增加模型的重用性和扩展性，缩短航天器的研发周期和降低成本。

Description

基于Modelica模型的航天器动力学与控制模型库构建方法

技术领域

本发明涉及航天器动力学与控制系统的建模与仿真方案，具体涉及一种基于Modelica模型的航天器动力学与姿态控制的模型库构建方法。

背景技术

开展航天器动力学与控制的研究在航天技术的发展中起到举足轻重的作用，其目的在于发展有效的方法促使航天器在各阶段平稳可靠地运行。航天器技术发展迅速，其形式日趋多样化，功能与构造日趋复杂，已经向大型空间站、微小卫星、深空探测等方向发展。航天器结构表现出多耦合、非线性、极端外界环境，以及大尺度柔性结构等特征，由此激发起航天器动力学与控制领域各方向的深入研究。航天器动力学与控制的研究方法覆盖理论分析、数值仿真以及实验测试等诸多方面，数值仿真方法由于其周期短和成本低等特点近年来成为研究的热点。

目前应用于航天器动力学与控制建模的方法主要包括：基于接口的联合仿真方法和基于高层体系结构的方法(High Level Architecture，以下简写为HLA)。基于接口的联合仿真方法是在已有的各领域商用软件构建各自的专业模型，再通过不同商用软件之间的接口实现多领域建模，该方法要求商用软件之间存在一对一的接口，不具有标准性、开放性。

另外，当仿真软件超过3个后，复杂度随着增加，系统实现和扩展困难；基于HLA的建模方法是通过制定统一的技术框架，各领域商用软件需按照HLA的标准开发统一的接口，从而实现各种仿真应用之间的耦合。该方法尽管克服了基于接口方法的诸多缺陷，但仍需得到各领域商用仿真工具的支持和合作、系统实现非常繁琐、人为地割裂不同领域系统间的耦合关系，实质为子系统层次上的集成方法。

应了解，由于Modelica语言具备面向对象、基于方程、模型可重用和结构层次化等特点，可有效实现航天器动力学与控制模型的构建。因此，急需一种方案，能够基于Modelica模型进行航天器动力学与控制模型库的构建。

发明内容

为克服现有技术中的不足，本发明提出了一种基于Modelica模型的航天器动力学与控制模型库构建方法。该方法是基于同一平台的建模方法，能够实现航天器动力学与控制的无缝集成，可以有效降低构建航天器动力学与控制模型库的难度和复杂度，增加模型的重用性和扩展性，缩短航天器的研发周期和降低成本。

本发明提供了一种基于Modelica模型的航天器动力学与控制模型库构建方法，包括以下步骤：步骤一，将航天器动力学与控制系统进行分解，从而得到模型库架构；步骤二，构建用于搭建单机模型的基础模型，其中，单机模型为模型库架构的构造单元；步骤三，根据对航天器动力学与控制系统的分解结果，利用构建好的基础模型进行组合，以构建单机模型；步骤四，采用理论验证的方式，对单机模型进行仿真验证；步骤五，利用经过仿真验证的单机模型，采用搭积木和连线的方式，快速搭建航天器动力学与控制系统模型，并根据预定初始条件进行仿真分析。

优选地，在本发明中，模型库架构至少包括以下单机模型：姿轨控管理单元模型、推力器模型、力矩陀螺模型、动力学模型、轨道模型、太阳敏感器模型、地球敏感器模型、星敏感器模型、太阳翼帆板模型、陀螺仪模型和航天器舱体模型。

基础模型是航天器动力学与控制系统模型库中最小的构造单元，并且基础模型采用搭积木和连线的方式构建单机模型。

具体地，在步骤三中执行：依据单机模型的物理原理、力平衡方程和力矩平衡方程建立数学模型；采用Modelica模型，基于标准库进行代码开发和接口定义。不同的单机模型之间通过连接器连接，其中，连接器包括流变量和势变量，并且流变量之和为零而是变量相等。

航天器动力学与控制系统模型包括以下两个子系统：机械动力学子系统和控制子系统。航天器动力学与控制系统模型具有以下两种接口模型：机械动力学系统接口模型和控制接口模型。机械动力系统接口模型用于传递力、位移、力矩和转角；控制接口模型用于传递控制信号的输入和输出。

因此，与现有技术相比，采用本发明可以实现以下的有益效果：

1)基于Modelica语言开发，能够使开发的模型库层次清楚、模型可重用、可扩展，极大的提高建模效率，针对不同型号需求能够快速有效的进行建模与仿真验证；

2)基于同一平台开发，能够实现动力学与控制系统的无缝集成，实现系统的强耦合；

3)该方法与基于接口的方法和基于HLA的方法相比，操作简单、能够大大缩短研发周期、降低研发成本。

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是本发明的基于Modelica模型的航天器动力学与控制模型库构建方法的流程图；

图2是作为本发明的一个实施例的典型航天器动力学与控制系统的原理框图；

图3是本发明具体实施方式所涉及的航天器动力学与控制系统的分解图；

图4是本发明具体实施方式所涉及的航天器动力学与控制系统的树状图。

具体实施方式

应了解，本发明的基于Modelica模型的航天器动力学与控制系统的建模方法主要通过以下技术方案来实现，并且主要包括以下三个部分：

第一部分，系统分解：将航天器动力学与控制系统进行分解，为构建层次化的、可重用的、可扩展的模型库构架做准备，模型库构架包括姿轨控管理单元模型、推力器模型、力矩陀螺模型、动力学模型、轨道模型、太阳敏感器模型、地球敏感器模型、星敏感器模型和太阳翼帆板模型。

层次化，即模型库结构要设计合理、层次清晰、逻辑清楚。

可重用，即模型库中的模型基于单机的物理机构建立，直接或仅通过修改参数便可用于构建不同的系统模型，另外对于构建的动力学系统模型，亦可采用该思想进行重用。

可扩展，包含两层含义：一是模型库中的单机模型支持二次开发，可直接对其进行模型细化和完善；二是模型库结构可扩展，比如对于需考虑控制系统中推力变化规律时，可在模型库结构中添加推进系统。而不需要重新设计模型库结构。

第二部分，模型库构建：模型库构架确定后，基于Modelica模型的物理原理对单机模型进行开发和测试，最终形成航天器动力学与控制模型库，开发过程中考虑单机模型的重用性和可扩展性。

第三部分，系统模型构建：模型库构建完成后，根据不同型号航天器对动力学与控制系统需求，利用构建的模型库采用搭积木和连线的方式快速搭建系统模型，不同单机模型之间通过连接器连接。

连接器包括流变量和势变量，是基于广义基尔霍夫原理实现的，即流变量之和为零，势变量相等。

接下来，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。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

如图1所示，本发明的基于Modelica模型的航天器动力学与控制模型库构建方法包括以下步骤：

系统分解

将航天器动力学与控制系统进行分解，得到模型库架构，模型库架构中包括以下单机模型：分别为姿轨控管理单元模型、推力器模型、力矩陀螺模型、动力学模型、轨道模型、太阳敏感器模型、地球敏感器模型、星敏感器模型、太阳翼帆板模型、陀螺仪模型和航天器舱体模型。

基础模型构建

基础模型是航天器动力学与控制模型库中最小的构造单元，这些基础模型采用搭积木和连线的方式搭建单机模型。

建立单机模型

在将系统分解和基础模型构建好后，需按照系统分解的结果，利用构建好的基础模型进行组合，构建单机模型，其依据是单机模型的物理原理、力平衡方程和力矩平衡方程建立的数学模型，然后采用Modelica语言基于标准库进行代码开发和接口定义。

单机模型验证

在进行航天器动力学和控制系统搭建前，需先对单机模型进行仿真验证，单机模型验证主要是采用理论验证的方法进行。

建立系统模型

利用构建的单机模型采用搭积木和连线的方式快速搭建系统模型，不同的单机模型之间通过连接器连接。

开展仿真分析

完成航天器动力学与控制系统模型构建后，便可根据给定的初始条件进行仿真分析。

注意，航天器动力学与控制系统模型主要涉及两个子系统：机械动力学系统和控制系统，建立系统模型时需要建立两种接口模型，机械动力学系统接口模型和控制接口模型，机械动力学系统接口模型用于传递力、位移、力矩和转角，而控制接口模型用于传递控制信号的输入和输出。

参看图2，航天器在星间分离后，卫星的姿态并非期望姿态，需通过控制器经过一系列控制过程使航天器的姿态达到期望姿态。具体原理为：通过敏感器测量航天器的姿态，并将与测量值与期望值进行比较，将偏差信号输入到姿轨控管理单元，然后生成控制信号作用于执行机构，包括推力器、反作用飞轮等，执行机构最后作用于航天器，形成闭环控制。

下面以图2中的典型航天器动力学与控制系统为例，介绍本发明实施方式的具体系统建模过程。

1)系统分解

将航天器动力学与控制系统进行分解，得到模型库架构(具体见图3和图4)，分解时需考虑模型库的层次化结构、可重用性和可扩展性。，模型库构架中包括以下单机模型，分别为姿轨控管理单元模型、推力器模型、力矩陀螺模型、动力学模型、轨道模型、太阳敏感器模型、地球敏感器模型、星敏感器模型、太阳翼帆板模型、陀螺仪模型和航天器舱体模型。考虑到模型的通用性，继续将单机模型进行分解，如将地球敏感器模型分解成姿态测量模块、姿态转换模块等，而姿态测量模块可用于太阳敏感器和星敏感器的开发。

2)基础模型构建

基础模型是航天器动力学与控制模型库中最小的构造单元，这些基础模型采用搭积木和连线的方式搭建单机模型，单机模型通常由更通用化的基础模型组成。根据实际需要，可通过不同的组合方式进行模型颗粒度的组合。如仍以地球敏感器为例，当仅考虑地球敏感器的功能特性时，只需姿态测量模块；若还需考虑地球敏感器的测量的偏差等情况，还需加入姿态转换模块和偏差生成模块。若后期需要考虑耗电特性，模型中还需加入耗电模块和电接口。

3)建立单机模型

在将系统分解和基础模型构建好后，需按照系统分解的结果，利用构建好的基础模型进行组合，构建单机模型，其依据是单机模型的物理原理、力平衡方程和力矩平衡方程建立的数学模型，然后采用Modelica语言基于标准库进行代码开发和接口定义。具体地，模型库的接口和主要参数信息参见以下的表1。

表1航天器动力学与控制单机模型库

4)单机模型验证

在进行航天器动力学和控制系统搭建前，需先对单机模型进行仿真验证，单机模型验证主要是采用理论验证的方法进行。

5)建立系统模型

在本实施例所要建立的航天器动力学与控制系统模型中，主要涉及两个子系统：机械动力学系统和控制系统。需要建立两种接口模型，机械动力学系统接口模型用于传递力、位移、力矩和转角；控制接口模型用于传递控制信号的输入和输出。

6)开展仿真分析

完成航天器动力学与控制系统模型构建后，便可根据给定的初始条件进行仿真分析。

在上述具体实施方式中，主要考察星间分离后的过程中航天器经过消粗偏等控制作用后卫星的姿态能否达到设计标准。

综上所述，采用本发明，基于Modelica语言开发的模型库由于可重用性强和便于扩展，且具有强大的非线性求解能力，使得工程技术人员不必把大量精力花费在数学公式推导上来，为工程技术人员提供了高效便捷的辅助设计手段。因此，本发明能够从不同的角度和细节对复杂的航天器动力学与控制系统各单机模型之间的相互作用及整体性能进行研究，从而减少循环设计和试验次数、节约成本，对航天器动力学与控制系统和单机的结构设计提供支持。

本发明中未说明部分属于本领域的公知技术。

Claims (8)

1.一种基于Modelica模型的航天器动力学与控制模型库构建方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，将航天器动力学与控制系统进行分解，从而得到模型库架构；

步骤二，构建用于搭建单机模型的基础模型，其中，所述单机模型为所述模型库架构的构造单元；

步骤三，根据对所述航天器动力学与控制系统的分解结果，利用构建好的所述基础模型进行组合，以构建所述单机模型；

步骤四，采用理论验证的方式，对所述单机模型进行仿真验证；

步骤五，利用经过仿真验证的单机模型，采用搭积木和连线的方式，快速搭建所述航天器动力学与控制系统模型，并根据预定初始条件进行仿真分析。

2.根据权利要求1所述的基于Modelica模型的航天器动力学与控制模型库构建方法，其特征在于，所述模型库架构至少包括以下单机模型：

姿轨控管理单元模型、推力器模型、力矩陀螺模型、动力学模型、轨道模型、太阳敏感器模型、地球敏感器模型、星敏感器模型、太阳翼帆板模型、陀螺仪模型和航天器舱体模型。

3.根据权利要求1所述的基于Modelica模型的航天器动力学与控制模型库构建方法，其特征在于，所述基础模型是所述航天器动力学与控制系统模型库中最小的构造单元，并且所述基础模型采用搭积木和连线的方式构建所述单机模型。

4.根据权利要求1所述的基于Modelica模型的航天器动力学与控制模型库构建方法，其特征在于，在所述步骤三中执行：

依据所述单机模型的物理原理、力平衡方程和力矩平衡方程建立数学模型；

采用所述Modelica模型，基于标准库进行代码开发和接口定义。

5.根据权利要求1所述的基于Modelica模型的航天器动力学与控制模型库构建方法，其特征在于，不同的所述单机模型之间通过连接器连接，

其中，所述连接器包括流变量和势变量，并且流变量之和为零而是变量相等。

6.根据权利要求1所述的基于Modelica模型的航天器动力学与控制模型库构建方法，其特征在于，所述航天器动力学与控制系统模型包括以下两个子系统：机械动力学子系统和控制子系统。

7.根据权利要求6所述的基于Modelica模型的航天器动力学与控制模型库构建方法，其特征在于，所述航天器动力学与控制系统模型具有以下两种接口模型：机械动力学系统接口模型和控制接口模型。

8.根据权利要求7所述的基于Modelica模型的航天器动力学与控制模型库构建方法，其特征在于，

所述机械动力系统接口模型用于传递力、位移、力矩和转角；

所述控制接口模型用于传递控制信号的输入和输出。