CN110516298A - 运载火箭通用仿真建模方法及存储介质 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种运载火箭通用仿真建模方法及存储介质。建模方法包括：获取运载火箭的基本模型；为运载火箭的某一基本模型设置对应的第一模块，并为该第一模块设置名称；分别为运载火箭的该基本模型中的参数、输入变量以及输出变量设置对应的第二至第四模块，并分别为第二至第四模块设置对应的名称；利用Simulink对第二至第四模块进行搭建，得到第一模块；对搭建得到的第一模块进行校对；对校对后的第一模块进行封装，得到第一模块的仿真模型文件；利用各第一模块的仿真模型文件得到模型库文件。本申请建立的模块和模型库具有可读性强、可维护性好、可移植性强等特点；能够极大地缩短仿真人员建模的时间，使得仿真工作变得快捷、高效。

Description

运载火箭通用仿真建模方法及存储介质

技术领域

本申请属于运载火箭设计技术领域，具体涉及一种运载火箭通用仿真建模方法及存储介质。

背景技术

在运载火箭控制系统仿真测试技术中，前期仿真模型的构建和在六自由度全数字仿真、六自由度半实物仿真的应用是十分重要的环节。运载火箭模型和控制模型归根到底是用数学方程或者算法去描述对象的复杂物理运动。针对不同型号、不同仿真模式，每一次仿真测试中都要把这些复杂的数学公式转换成计算机语言，而且是转换成指定的仿真软件可以识别的语言，这个过程不仅周期长、而且人力成本较高。仿真建模开发人员依据自己的经验开发出的控制系统仿真测试模型难以维护，可读性不高，可视化不强，而且有关模型的参数调试不是很方便，仿真测试模型的移植性不能保证。

发明内容

为至少在一定程度上克服相关技术中存在的问题，本申请提供了一种运载火箭通用仿真建模方法及存储介质。

根据本申请实施例，本申请的一个方面提供了一种运载火箭通用仿真建模方法，其包括以下步骤：

获取运载火箭的基本模型；

为运载火箭的某一基本模型设置对应的第一模块，并为该第一模块设置名称；

分别为运载火箭的该基本模型中的参数、输入变量以及输出变量设置对应的第二模块、第三模块和第四模块，并分别为第二模块、第三模块和第四模块设置对应的名称；

利用Simulink对第二模块、第三模块和第四模块进行搭建，得到第一模块；

对搭建得到的第一模块进行校对；

对校对后的第一模块进行封装，得到第一模块的仿真模型文件；

利用各第一模块的仿真模型文件得到模型库文件。

上述运载火箭通用仿真建模方法中，所述运载火箭的基本模型包括箭体六自由度动力学及运动学模型、地球引力模型、大气模型、气动力和力矩模型、液体晃动模型、弹性振动模型、发动机推力模型、控制力和力矩模型、结构干扰模型、风干扰模型，箭体质量计算模型、角度计算模型、速度计算模型、箭体高度计算模型、积分模型、位置模型以及经纬度模型。

上述运载火箭通用仿真建模方法中，所述利用Simulink对第二模块、第三模块和第四模块进行搭建时，根据运载火箭的对应基本模型中各参数、输入变量以及输出变量之间的运算关系，采用Simulink对运载火箭的该基本模型中的参数、输入变量以及输出变量对应的第二模块、第三模块和第四模块进行搭建，得到该基本模型对应的第一模块。

进一步地，所述对搭建得到的第一模块进行校对的过程为：

利用第一模块和获取的输入变量，计算得到输出结果；

将获取的输入变量对应的输出量与输出结果作差，如果差值小于10^-6，则判定搭建得到的该基本模型对应的第一模块是正确和有效的。

更进一步地，所述对校对后的第一模块进行封装时，采用Simulink中的MaskEditor封装编辑器对校对后的第一模块进行封装。

更进一步地，所述利用各第一模块的仿真模型文件得到模型库文件的过程为：

新建空模型库文件；

将各基本模型对应的第一模块的仿真模型文件存储至空模型库文件中；

将存储有仿真模型文件的空模型库文件保存为基本模型对应的模型库文件。

更进一步地，运载火箭通用仿真建模方法还包括以下步骤：设置Slblocks.m文件，并将Slblocks.m文件与基本模型对应的第一模块的模型库文件存储在同一路径下，所述Slblocks.m文件中包含基本模型对应的模型库的相关信息。

上述运载火箭通用仿真建模方法中，所述箭体高度计算模型对应的数学表达式为：

式中，R_i表示发射惯性系下地心矢径，Ω_xyz0表示地球自转角速度方向矢量，H表示箭体的实时高度，a_e表示地球椭球体长半轴，e²表示地球椭球体第一偏心率的平方，f表示地球扁率。

进一步地，所述箭体高度计算模型对应的第一模块的输入变量为发射惯性系下地心矢径和地球自转角速度方向矢量；所述箭体高度计算模型对应的第一模块的输出变量为箭体的实时高度。

更进一步地，对所述箭体高度计算模型对应的第一模块进行封装，得到箭体高度计算模型对应的第一模块的仿真模型文件。

本申请的另一个方面提供了一种包含计算机执行指令的存储介质，所述计算机执行指令经由数据处理设备调用时，执行如上所述的运载火箭通用仿真建模方法。

根据本申请的上述具体实施方式可知，至少具有以下有益效果：本申请基于Matlab/Simulink对运载火箭的基本模型对应的第一模块进行搭建、校对和封装，得到基本模型对应的第一模块的仿真模型文件，并将根据仿真模型文件得到模型库文件，这样在仿真过程中，方便仿真技术人员能够在已经建好的运载火箭通用模型库中直接拖曳模块到需要搭建的运载火箭六自由度全数字仿真、六自由度半实物仿真模型中，使得仿真工作变得快捷、高效，能够极大地缩短了仿真人员建模的时间。

本申请运载火箭通用仿真建模方法不仅建模周期短，而且利用该方法建立的模块和模型库具有可读性强、可靠性高、可维护性好、可移植性强，可视化和交互性简单易用，参数可任意进行调整的特点；从而使得仿真人员能够把主要的精力放在仿真模型整体框架的搭建和结果的分析上，给仿真带来了极大的便利。

本申请运载火箭通用仿真建模方法的通用性强，而且得到的模型库文件可以在多台设备间进行移植、共享。

应了解的是，上述一般描述及以下具体实施方式仅为示例性及阐释性的，其并不能限制本申请所欲主张的范围。

附图说明

下面的所附附图是本申请的说明书的一部分，其示出了本申请的实施例，所附附图与说明书的描述一起用来说明本申请的原理。

图1为本申请具体实施方式提供的一种运载火箭通用仿真建模方法的流程图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将以附图及详细叙述清楚说明本申请所揭示内容的精神，任何所属技术领域技术人员在了解本申请内容的实施例后，当可由本申请内容所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本申请内容的精神与范围。

本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，但并不作为对本申请的限定。另外，在附图及实施方式中所使用相同或类似标号的元件/构件是用来代表相同或类似部分。

关于本文中所使用的“第一”、“第二”、…等，并非特别指称次序或顺位的意思，也非用以限定本申请，其仅为了区别以相同技术用语描述的元件或操作。

关于本文中所使用的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本创作。

关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。

关于本文中所使用的“及/或”，包括所述事物的任一或全部组合。

关于本文中的“多个”包括“两个”及“两个以上”；关于本文中的“多组”包括“两组”及“两组以上”。

关于本文中所使用的用语“大致”、“约”等，用以修饰任何可以细微变化的数量或误差，但这些微变化或误差并不会改变其本质。一般而言，此类用语所修饰的细微变化或误差的范围在部分实施例中可为20％，在部分实施例中可为10％，在部分实施例中可为5％或是其他数值。本领域技术人员应当了解，前述提及的数值可依实际需求而调整，并不以此为限。

某些用以描述本申请的用词将于下或在此说明书的别处讨论，以提供本领域技术人员在有关本申请的描述上额外的引导。

如图1所示，本申请提供了一种运载火箭通用仿真建模方法，其包括以下步骤：

S1、获取运载火箭的基本模型。

具体地，运载火箭的基本模型包括：箭体六自由度动力学及运动学模型、地球引力模型、大气模型、气动力和力矩模型、液体晃动模型、弹性振动模型、发动机推力模型、控制力和力矩模型、结构干扰模型、风干扰模型，箭体质量计算模型、角度计算模型、速度计算模型、箭体高度计算模型、积分模型、位置模型以及经纬度模型等。

S2、为运载火箭的某一基本模型设置对应的第一模块，并为该第一模块设置名称；分别为运载火箭的该基本模型中的参数、输入变量以及输出变量设置对应的第二模块、第三模块和第四模块，并分别为第二模块、第三模块和第四模块设置对应的名称；

例如，箭体高度计算模型用于计算箭体当前的高度参数，可以为箭体高度计算模型设置一对应的第一模块，并取Calculation Altitude Parameter中各单词的4个常用字母作为第一模块的名称，第一模块的名称可以设置为Calt_AltiPara。当然，用户可以根据需要和使用习惯自定义基本模型对应的第一模块的名称。

箭体高度计算模型中涉及到的参数有地球椭球体长半轴，可以为该参数地球椭球体长半轴设置一对应的第二模块，并将该第二模块的名称设置为Gain_Ae，其中，Ae表示地球椭球体长半轴，其为常数；Gain表示增益；该第二模块对应的参数在计算中作为增益使用。当然，用户可以根据需要和使用习惯自定义参数对应的第二模块的名称。

可以为箭体高度计算模型中涉及到的输入变量设置对应的第三模块，第三模块的名称可以设置为Ri_Rocket，其表示惯性坐标系下箭体到地心的距离。可以为箭体高度计算模型中涉及到的输出变量设置对应的第四模块，第四模块的名称可以设置为H_Rocket，其表示箭体当前所在高度。当然，用户可以根据需要和使用习惯自定义箭体高度计算模型中的输入变量对应的第三模块和输出变量对应的第四模块的名称。

需要说明的是，输入变量对应的第三模块和输出变量对应的第四模块可以为实际物理意义上的参数，这样，通过输入某个变量，就可以直接输出所需要的参数。

S3、利用Simulink对第二模块、第三模块和第四模块进行搭建，得到第一模块。

根据运载火箭的某一基本模型中各参数以及输入输出变量之间的运算关系，采用Simulink对第二模块、第三模块和第四模块进行搭建，得到该基本模型对应的第一模块。

S4、对搭建得到的第一模块进行校对，其具体过程为：

利用该基本模型对应的第一模块和获取的输入变量，计算得到输出结果。

将获取的输入变量对应的输出量与输出结果作差，如果差值小于10^-6，则判定搭建得到的该基本模型对应的第一模块是正确和有效的。

S5、利用Simulink中的Mask Editor封装编辑器对校对后的基本模型对应的第一模块进行封装，得到在Matlab中当前工作路径下存储的基本模型对应的第一模块的.slx仿真模型文件。

S6、利用各基本模型对应的第一模块的仿真模型文件得到模型库文件，其过程为：

新建空模型库文件；

将各基本模型对应的第一模块的仿真模型文件存储至空模型库文件中；

将存储有仿真模型文件的空模型库文件保存为基本模型对应的模型库文件。

本申请运载火箭通用仿真建模方法还包括设置Slblocks.m文件，并将Slblocks.m文件与基本模型对应的模型库文件存储在同一路径下。其中，Slblocks.m文件中包含基本模型对应的模型库的相关信息。

为便于更清楚的理解本申请提供的运载火箭通用仿真建模方法，下面以箭体高度计算模型为例进行详细说明。

箭体高度计算模型对应的数学表达式为：

式中，R_i表示发射惯性系下地心矢径，其在箭体高度计算模型对应的第一模块中对应的输入变量为R_i_Rocket；Ω_xyz0表示地球自转角速度方向矢量，其在箭体高度计算模型对应的第一模块中对应的输入变量为Omgxyz。H表示箭体的实时高度，其在箭体高度计算模型对应的第一模块中对应的输出变量为H_Rocket。a_e表示地球椭球体长半轴，其在箭体高度计算模型对应的第一模块中对应的常量参数为Gain_A_e；e²表示地球椭球体第一偏心率的平方，其在箭体高度计算模型对应的第一模块中对应的常量参数为Gain_E2；f表示地球扁率，其在箭体高度计算模型对应的第一模块中对应的常量参数为Gain_Ff。

根据箭体高度计算模型对应的数学表达式中各参数、输入输出变量之间的运算关系，利用数学表达式中参数在箭体高度计算模型对应的第一模块中对应的输入变量、输出变量和常量参数搭建箭体高度计算模型对应的第一模块。

具体地，在Matlab/Simulink中按照以下顺序搭建箭体高度计算模型对应的模块：运行Matlab→选择HOME菜单→选择New菜单→选择SimulinkModel菜单选项→搭建模型模块，其中，输入变量名称为R_i_Rocket，输出变量名称为H_Rocket。

将搭建好的箭体高度计算模型对应的模块在Matlab/Simulink中按照以下顺序进行封装：点击搭建好的模块→选择菜单中的Mask选项→单击Creat Mask打开Mask Editor对话框→对编辑器的以下四项内容Icon&Ports、Parameters&Dialog、Initialization、Documentation进行编辑，根据实际需要项完成编辑→完成模块封装，Matlab便在当前工作路径下存储Calt_AltiPara.slx文件。封装之后用户可以通过GUI界面填写常量参数。用户可以通过对话框界面实现对常量参数的设置。

在Matlab/Simulink中按照以下顺序自建模型库：运行Matlab→选择HOME菜单→选择Simulink Library菜单，打开Simulink Library Browser对话框→新建NewLibrary.slx→保存为RocketSimLib.slx，将所有封装校对好的基本模型对应的模块添加到该文件中进行保存。Matlab便在当前工作路径下生成内有封装好的所有模型对应的模块的RocketSimLib.slx文件。

建立名字为slblocks的M函数，在Matlab/Simulink中按照以下顺序自建slblocks.m函数：运行Matlab→选择HOME菜单→选择New菜单→选择Function菜单选项→按Matlab指定要求编写slblocks.m→保存。Matlab便在当前工作路径下生成slblocks.m文件。

Slblocks表示自定义Simulink模型库时必须配套的M函数的文件，指定与自定义模型库的相关信息。

将Slblocks.m文件与RocketSimLib.slx模型库放在同一路径下(matlab自带simulink库路径)，并将路径添加到MATLAB的SetPath中。当matlab运行模型时，会从上述存储的路径中搜寻封装好的模型。

采用本申请运载火箭通用仿真建模方法得到的模型库文件，使得用户能够从自定义模型库里拖曳所需的模型，当模型库中的模型变动时，如添加、更新等可以自动更新用户已经使用的模型，不用手动去操作进行更改。

用户可以在任何一台装有MATLAB软件的电脑上使用RocketSimLib.slx文件。只需要将RocketSimLib.slx文件和slblocks.m文件放在拷贝指定路径下即可。采用本申请运载火箭通用仿真建模方法得到的模型库文件可以在多台设备间进行移植、共享。

采用本申请运载火箭通用仿真建模方法可以让仿真技术人员在Matlab/Simulink中将运载火箭通用基本算法模块直接拖曳到要搭建的运载火箭六自由度仿真、半实物仿真模型中，方便、快捷、高效，极大地缩短仿真人员建模的时间。本申请运载火箭通用仿真建模不仅建模周期短，而且该方法建立的模块和模型库的可读性强、可靠性高、可维护性好、可移植性强，可视化和交互性简单易用，参数可以根据需要进行任意调整。

本申请的另一个方面提供了一种包含计算机执行指令的存储介质，所述计算机执行指令经由数据处理设备调用时，执行如上所述的运载火箭通用仿真建模方法。

上述的本申请实施例可在各种硬件、软件编码或两者组合中进行实施。例如，本发明的实施例也可为在数据信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)中执行上述方法的程序代码。本发明也可涉及计算机处理器、数字信号处理器、微处理器或现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)执行的多种功能。可根据本发明配置上述处理器执行特定任务，其通过执行定义了本发明揭示的特定方法的机器可读软件代码或固件代码来完成。可将软件代码或固件代码发展为不同的程序语言与不同的格式或形式。也可为不同的目标平台编译软件代码。然而，根据本发明执行任务的软件代码与其他类型配置代码的不同代码样式、类型与语言不脱离本发明的精神与范围。

以上所述仅为本申请示意性的具体实施方式，在不脱离本申请的构思和原则的前提下，任何本领域的技术人员所做出的等同变化与修改，均应属于本申请保护的范围。

Claims (11)

1.一种运载火箭通用仿真建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取运载火箭的基本模型；

为运载火箭的某一基本模型设置对应的第一模块，并为该第一模块设置名称；

分别为运载火箭的该基本模型中的参数、输入变量以及输出变量设置对应的第二模块、第三模块和第四模块，并分别为第二模块、第三模块和第四模块设置对应的名称；

利用Simulink对第二模块、第三模块和第四模块进行搭建，得到第一模块；

对搭建得到的第一模块进行校对；

对校对后的第一模块进行封装，得到第一模块的仿真模型文件；

利用各第一模块的仿真模型文件得到模型库文件。

2.根据权利要求1所述的运载火箭通用仿真建模方法，其特征在于，所述运载火箭的基本模型包括箭体六自由度动力学及运动学模型、地球引力模型、大气模型、气动力和力矩模型、液体晃动模型、弹性振动模型、发动机推力模型、控制力和力矩模型、结构干扰模型、风干扰模型，箭体质量计算模型、角度计算模型、速度计算模型、箭体高度计算模型、积分模型、位置模型以及经纬度模型。

3.根据权利要求1所述的运载火箭通用仿真建模方法，其特征在于，所述利用Simulink对第二模块、第三模块和第四模块进行搭建时，根据运载火箭的对应基本模型中各参数、输入变量以及输出变量之间的运算关系，采用Simulink对运载火箭的该基本模型中的参数、输入变量以及输出变量对应的第二模块、第三模块和第四模块进行搭建，得到该基本模型对应的第一模块。

4.根据权利要求3所述的运载火箭通用仿真建模方法，其特征在于，所述对搭建得到的第一模块进行校对的过程为：

利用第一模块和获取的输入变量，计算得到输出结果；

将获取的输入变量对应的输出量与输出结果作差，如果差值小于10^-6，则判定搭建得到的该基本模型对应的第一模块是正确和有效的。

5.根据权利要求4所述的运载火箭通用仿真建模方法，其特征在于，所述对校对后的第一模块进行封装时，采用Simulink中的Mask Editor封装编辑器对校对后的第一模块进行封装。

6.根据权利要求5所述的运载火箭通用仿真建模方法，其特征在于，所述利用各第一模块的仿真模型文件得到模型库文件的过程为：

新建空模型库文件；

将各基本模型对应的第一模块的仿真模型文件存储至空模型库文件中；

将存储有仿真模型文件的空模型库文件保存为基本模型对应的模型库文件。

7.根据权利要求6所述的运载火箭通用仿真建模方法，其特征在于，还包括以下步骤：设置Slblocks.m文件，并将Slblocks.m文件与基本模型对应的第一模块的模型库文件存储在同一路径下，所述Slblocks.m文件中包含基本模型对应的模型库的相关信息。

8.根据权利要求1～7所述的运载火箭通用仿真建模方法，其特征在于，所述箭体高度计算模型对应的数学表达式为：

式中，R_i表示发射惯性系下地心矢径，Ω_xyz0表示地球自转角速度方向矢量，H表示箭体的实时高度，a_e表示地球椭球体长半轴，e²表示地球椭球体第一偏心率的平方，f表示地球扁率。

9.根据权利要求8所述的运载火箭通用仿真建模方法，其特征在于，所述箭体高度计算模型对应的第一模块的输入变量为发射惯性系下地心矢径和地球自转角速度方向矢量；所述箭体高度计算模型对应的第一模块的输出变量为箭体的实时高度。

10.根据权利要求9所述的运载火箭通用仿真建模方法，其特征在于，对所述箭体高度计算模型对应的第一模块进行封装，得到箭体高度计算模型对应的第一模块的仿真模型文件。

11.一种存储介质，包含计算机执行指令，其特征在于，所述计算机执行指令经由数据处理设备调用时，执行如权利要求1-10任一项所述的运载火箭通用仿真建模方法。