基于軟硬件協(xié)同設(shè)計的航天控制系統(tǒng)綜合技術(shù)

宋征宇

北京航天自動控制研究所，北京 100854

1 概述

系統(tǒng)綜合技術(shù)作為傳統(tǒng)航天控制領(lǐng)域一項重要的技術(shù)，已經(jīng)有較長的歷史了。它的出現(xiàn)，是隨著航天器設(shè)計的日益復(fù)雜化以及分工的日益專業(yè)化而產(chǎn)生的。對一項簡單的設(shè)計，一個工程組能夠完成從方案論證到產(chǎn)品實現(xiàn)的全過程，但航天器的設(shè)計愈發(fā)復(fù)雜，以控制系統(tǒng)為例，至少包括系統(tǒng)設(shè)計和產(chǎn)品設(shè)計兩大類。在系統(tǒng)設(shè)計中，不僅包括控制算法(方案)的設(shè)計、電氣系統(tǒng)的設(shè)計，由于火箭是用于發(fā)射服務(wù)的，其使用性必須考慮，因此還包括測試發(fā)射控制功能的設(shè)計。而產(chǎn)品設(shè)計包括硬件產(chǎn)品設(shè)計(電路設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計)、軟件產(chǎn)品設(shè)計(應(yīng)用軟件設(shè)計、操作系統(tǒng)設(shè)計)等。因此系統(tǒng)綜合的重要性逐漸體現(xiàn)出來，它的作用是在深入分析的基礎(chǔ)上，合理劃分各個組成部分并分配功能，最終將之組成為有機(jī)的整體。

近年來，系統(tǒng)綜合(或者綜合集成技術(shù))作為一種方法論，在解決復(fù)雜巨系統(tǒng)的問題中愈發(fā)受到重視，錢學(xué)森[1]也曾提出了“從定性到定量綜合集成方法”，并指出綜合集成方法會起到“1+1>2”的效果。這在航天系統(tǒng)早有體會，也就是為什么有些設(shè)計單項技術(shù)并不先進(jìn)，但整體性能卻非常優(yōu)異的原因；而綜合不好的情況，則是“1+1<2”，每一項技術(shù)看似先進(jìn)，但系統(tǒng)總是問題不斷。

航天控制系統(tǒng)綜合技術(shù)的發(fā)展并不快，其原因是多方面的。首先傳統(tǒng)的設(shè)計思想影響很深，新型號的設(shè)計可以很大程度上參照原有的型號，綜合設(shè)計的結(jié)果在許多人看來是顯而易見的，思路受到了限制，也受到了長期形成的行業(yè)分工的限制。其次綜合集成作為一門系統(tǒng)科學(xué)，其應(yīng)用研究略顯不足，工程經(jīng)驗總結(jié)還不夠，在解決實際問題的指導(dǎo)性上還有待加強(qiáng)。

本文并非是對系統(tǒng)綜合技術(shù)的歸納提煉，只是提出了一種可應(yīng)用在航天控制系統(tǒng)設(shè)計中的技術(shù)，以軟硬件協(xié)同設(shè)計為基礎(chǔ)，對其原理、應(yīng)用示例進(jìn)行了闡述，從中也可以看出系統(tǒng)綜合技術(shù)在新形勢下所面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

2 軟硬件協(xié)同的系統(tǒng)設(shè)計與產(chǎn)品實現(xiàn)

將系統(tǒng)綜合技術(shù)與軟硬件協(xié)同設(shè)計聯(lián)系在一起，重點(diǎn)是要突出設(shè)計初始階段的硬件與軟件并行設(shè)計工作。

常用的系統(tǒng)綜合技術(shù)可以稱之為“參照法”和“組合法”。參照法也就是“繼承法”，即參照原有的型號進(jìn)行設(shè)計，這種方法帶有明顯的歷史痕跡，也正由于此，各個國家運(yùn)載火箭具體到設(shè)備的組成上，設(shè)備的名稱、功能均各有特點(diǎn)，不完全相同，主要是最初始的設(shè)計方案因時、因地、因人而異，并一直延續(xù)至今[2-3]。組合法則是因技術(shù)發(fā)展帶來設(shè)備功能增強(qiáng)，體積、功耗降低，具備了一機(jī)多能的作用，于是可以將多臺設(shè)備組合成一臺。在絕大部分情況下，上述兩種方法應(yīng)用得很好。

這種設(shè)計的主要問題是沒有將控制方案(算法)的設(shè)計與其硬件載體緊密關(guān)聯(lián)起來，尤其是在面臨新的控制方案的情況下。當(dāng)在地面PC機(jī)或工作站上完成算法設(shè)計后，最終需要向性能遠(yuǎn)遜于工作站的目標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化，這樣的轉(zhuǎn)化過程存在以下風(fēng)險：

1)根據(jù)主頻來選擇可接受的目標(biāo)系統(tǒng)硬件，但主頻不完全對應(yīng)具體算法的處理速度；

2)一旦可得到的最快處理器也無法滿足要求，則宣告該算法不可行，需要重新選擇方案；

3)當(dāng)確需該算法且沒有更快處理器時，往往會簡單認(rèn)為幾個處理器并行速度就能提高幾倍；

4)促使設(shè)計人員不自覺地從市場上找各種各樣的產(chǎn)品，而沒有考慮自主國產(chǎn)化的要求；

5)只有在硬件樣機(jī)生產(chǎn)出來之后才會得到驗證，由此可以想象一旦返工所帶來的巨大影響。

為避免上述風(fēng)險，系統(tǒng)綜合設(shè)計應(yīng)從一開始就選定目標(biāo)系統(tǒng)，并能通過某種方式進(jìn)行驗證和反復(fù)迭代調(diào)整。但此時還未開發(fā)出硬件和軟件產(chǎn)品，這種驗證必然是在仿真環(huán)境中進(jìn)行的，即軟硬件協(xié)同仿真環(huán)境。由此聯(lián)想到了電子學(xué)的相關(guān)技術(shù)，因為其在超大規(guī)模集成電路(尤其是SOC)的設(shè)計中，所采取的技術(shù)與綜合設(shè)計的需求是相同的[4-5]。二者均是從頂層緊密圍繞系統(tǒng)需求自上而下的設(shè)計，強(qiáng)調(diào)前期的軟硬件協(xié)同設(shè)計和優(yōu)化，也強(qiáng)調(diào)充分利用已有的成果和資源以降低風(fēng)險。

但大系統(tǒng)的綜合設(shè)計畢竟不同于SOC中的芯片系統(tǒng)，在最終實現(xiàn)上，航天型號要考慮設(shè)計改進(jìn)、測試、流片、驗證、量產(chǎn)等一系列問題，要分析各種生產(chǎn)、制造的實際情況以及在技術(shù)、進(jìn)度上的風(fēng)險，并權(quán)衡定型、產(chǎn)品化、長期保障等方面的因素，而這些都是“綜合”的過程。綜合的結(jié)果是選擇“適合的、可靠的、可獲得的”方案，只有最適合的才是最好的，這與SOC“更好(better)、更快(faster)、更便宜(cheaper)”的競爭目標(biāo)是不同的：

1)適合的(suitable)——不追求不必要的高性能

在系統(tǒng)設(shè)計中有句俗語，“更好是好的敵人”，這是對“適合”這一要求最通俗的解釋。在實際設(shè)計中會采用并行技術(shù)解決運(yùn)算慢的問題，如果能夠用多片成熟產(chǎn)品在片外并行解決，就不一定非要集成在片內(nèi)；當(dāng)能夠用各種IP核設(shè)計出的器件搭建板級產(chǎn)品完成某項功能時，也不一定要集成在一個芯片內(nèi)；當(dāng)可以不采用處理器時，不必選擇帶CPU的復(fù)雜方案；只在沒有其他解決方案的情況下，才有可能為某一項任務(wù)專門研制新的處理器，因為這項工作風(fēng)險極大。

2)可靠的(reliable)——充分使用已經(jīng)驗證的產(chǎn)品和技術(shù)

產(chǎn)品只有多用，才能加速成熟，可靠性才能得到增長。因此要盡可能增加基礎(chǔ)型產(chǎn)品或者是各種可重用的IP資源的通用性，推廣應(yīng)用范圍。要避免小修小改帶來的新問題，例如在不影響功耗和體積重量的情況下，即使用不上的功能也不一定要裁剪掉；確需增加的功能可以集中起來一并處理，等等。

3)可獲得的(obtainable)——從源頭貫徹國產(chǎn)化要求

應(yīng)優(yōu)先選擇能夠自主設(shè)計和生產(chǎn)的IP核，確需改進(jìn)時，生產(chǎn)制造的難度控制在一定范圍內(nèi)，例如可以用多個芯片組代替的方案不一定用單個芯片實現(xiàn)，也不一定都設(shè)計成SOC(處理器+總線+接口……)，可能就是某種專用模塊，甚至可以用國產(chǎn)化可編程器件來實現(xiàn)。總之，要考慮國內(nèi)的實際情況，以及經(jīng)費(fèi)、進(jìn)度等要求。

3 系統(tǒng)綜合設(shè)計平臺及設(shè)計流程

3.1 設(shè)計平臺

系統(tǒng)綜合設(shè)計離不開設(shè)計平臺，該平臺必須能為系統(tǒng)設(shè)計人員迅速搭建原型并進(jìn)行驗證，這也是廣義上的“定量綜合集成”的基礎(chǔ)。在系統(tǒng)建模上，有許多卓有成效的研究，這些研究絕大部分集中在建模語言以及復(fù)雜模型的設(shè)計，如虛擬樣機(jī)技術(shù)等[6-7]，從控制系統(tǒng)的角度看，它們聚焦在被控對象的建模，包括飛行器的動力學(xué)模型，甚至執(zhí)行機(jī)構(gòu)的模型等，但對控制算法自身和硬件的實現(xiàn)考慮的并不多。本文研究控制系統(tǒng)的實現(xiàn)，在大系統(tǒng)層面的建模更多是考慮子系統(tǒng)或設(shè)備之間控制流與信息流的設(shè)計，原有的工程經(jīng)驗仍然可以借用，通過不斷調(diào)整、反饋，最后達(dá)到最優(yōu)。

系統(tǒng)建模之后針對具體的產(chǎn)品要進(jìn)行軟硬件分工。在電子學(xué)領(lǐng)域關(guān)于如何分工才能實現(xiàn)最優(yōu)也開展了很多研究，許多用到了智能控制的算法[8]。而在控制領(lǐng)域反倒不需如此復(fù)雜，可以首先選擇一個方案，如果不行再調(diào)整，因為此階段調(diào)整成本較低。為了驗證算法及其實現(xiàn)，需選擇某個處理器IP核，并用原型法設(shè)計出應(yīng)用軟件，然后集成在一起進(jìn)行仿真驗證。在設(shè)計平臺上，各種算法是在目標(biāo)系統(tǒng)的虛擬環(huán)境中運(yùn)行的，應(yīng)用軟件須編譯成該CPU能夠識別的目標(biāo)碼與處理器模型共同仿真，如果采用了操作系統(tǒng)也須一并編譯。因此系統(tǒng)設(shè)計平臺包括：仿真環(huán)境，建模語言，處理器的IP核，針對該IP核的交叉編譯系統(tǒng)，以及嵌入式操作系統(tǒng)。圖1是系統(tǒng)設(shè)計平臺的簡圖。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計平臺的組成

3.2 設(shè)計流程

有了設(shè)計平臺，初步劃分了軟硬件的分工，并且編寫了可以仿真的代碼，下面就需要驗證。整個設(shè)計流程如圖2所示。如果仿真通過(在規(guī)定的時間內(nèi)完成工作且有一定余量)，則方案基本確定。若覺得某些選型大材小用，可選性能稍低的處理器重復(fù)上述過程。若不能滿足要求，可以采取3種處理措施：

圖2 基于IP核的系統(tǒng)設(shè)計流程

1)選擇更快的處理器，但如果已經(jīng)是可獲取的最快的，那只有改進(jìn)算法或研制更高性能的處理器；

2)多個處理器并行，在軟硬件仿真平臺上驗證并行處理流程與算法，如果飛行軟件能夠便捷地協(xié)調(diào)各工作流程，就找到了最簡潔的解決手段，即片外并行技術(shù)。如果軟件協(xié)調(diào)并行算法太復(fù)雜，就要對原來的處理器模型進(jìn)行改進(jìn)，增加一些適應(yīng)并行處理的功能和指令集，最終將改進(jìn)后的各種核集成一個芯片。這種情況是有可能發(fā)生的，例如在圖像處理中，多個IP核之間存在大容量的數(shù)據(jù)存貯交換，片外的處理與片內(nèi)共享內(nèi)存相比，后者的處理速度更快捷。

3)針對瓶頸部分進(jìn)行加速處理，可能是某一局部功能的并行，也可以設(shè)計專用硬件加速器實現(xiàn)[9]。硬件加速器的優(yōu)點(diǎn)是首先在不占用主處理器機(jī)時的情況下提高了速度，其次針對具體應(yīng)用進(jìn)行針對性設(shè)計，解題效率更高[10]，第三將設(shè)計領(lǐng)域局限在較小范圍內(nèi)，降低了設(shè)計難度。

最終選擇何種方案，是一個“綜合”的過程。

4 應(yīng)用示例

4.1 時序控制系統(tǒng)的設(shè)計示例

考慮設(shè)計一個時序控制系統(tǒng)。它的作用是按照時間序列的要求發(fā)出一系列指令，完成發(fā)動機(jī)的點(diǎn)火、關(guān)機(jī)以及各艙段分離等功能。以某火箭助推分離時序為例，其時序圖如圖3所示。助推器以對稱的方式兩兩關(guān)機(jī)，即助推器1，3一起關(guān)機(jī)，助推器2，4一起關(guān)機(jī)，當(dāng)兩對助推器均關(guān)機(jī)后，相隔0.5s點(diǎn)燃分離火箭(ZF)；再間隔0.1s，引爆分離爆炸螺栓(ZB)。每個時序指令在0.3s后清零。

圖3 某型號助推器分離控制時序

如果按照傳統(tǒng)思維，這樣的設(shè)計需要定時器以及GPIO等接口：定時器用于各種時間間隔的定時；GPIO用于輸入信號的采樣，如判斷是否兩對助推器主系統(tǒng)均已關(guān)機(jī)；也用于信號的輸出，如發(fā)出各種執(zhí)行指令。用一個處理器并開發(fā)相應(yīng)的軟件應(yīng)能很容易地實現(xiàn)，至此我們已在潛意識中規(guī)劃出了硬件與軟件的分工。事實上許多型號也是這么做的，最簡單的設(shè)計也需要一個8031處理器。

如果我們首先進(jìn)行系統(tǒng)建模，例如，直接用C語言建模，其代碼如表1左列所示。

表1 C語言及Verilog實現(xiàn)的時序控制

分析該代碼可以發(fā)現(xiàn)，這類應(yīng)用具有以下特點(diǎn)：

1)沒有復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，以邏輯運(yùn)算為主；

2)輸入/輸出的接口控制都可以等效為存貯單元的讀寫操作；

3)沒有復(fù)雜的中斷系統(tǒng)以及多任務(wù)需求，對事件的驅(qū)動以查詢或定時為主；

4)數(shù)據(jù)量相對較少且固定。

這種特性也可以直接用硬件描述語言來建模，如表1右列所示。當(dāng)然建完模型也就意味著可直接用可編程器件實現(xiàn)，不必選擇CPU、編程語言、編譯器，當(dāng)然它至少需要幾個定時器的IP庫。

這種設(shè)計并非只適應(yīng)簡單的應(yīng)用。對復(fù)雜的系統(tǒng)，可以用多片這樣的硬件來完成控制功能，由于這些被控對象之間的相關(guān)性不大，全部用硬件實現(xiàn)具有并發(fā)處理的優(yōu)點(diǎn)，而軟件處理本質(zhì)上是串行的，它反倒不符合真實世界的物理特性。

4.2 一種閉環(huán)制導(dǎo)控制方法的示例

考慮一種閉環(huán)制導(dǎo)方案的直接法求解[11]。在某種約束條件下，火箭的位置和速度有如下表達(dá)式

x(τ)=Φ(τ)x0+Γ(τ)I(τ)，

(1)

(2)

按照這種理論，火箭在剩余飛行時間內(nèi)的位置、速度均可以通過當(dāng)前的位置、速度和當(dāng)前時刻的推力方向計算得到，由此也可以計算出入軌參數(shù)。為進(jìn)一步簡化描述，將上述問題等效為如下的數(shù)學(xué)問題：

已知7個控制變量*指六維的協(xié)態(tài)向量和剩余飛行時間，其中協(xié)態(tài)向量中的P分量與推力方向矢量ib方向相同。X及其初值X0=(x10x20x30x40x50x60x70)T，經(jīng)過公式(1)的運(yùn)算可以得到7個目標(biāo)參數(shù)*如5個軌道根數(shù)和俯仰、偏航2個姿態(tài)角。Y：Y0=(y10y20y30y40y50y60y70)T，并且可以計算出Y0與要求值Ys的偏差ΔY。我們的任務(wù)是調(diào)整X0使得ΔY趨于最小或滿足一定門限要求。

由于從推力方向計算出速度和位置需要進(jìn)行積分運(yùn)算，因此上述問題的求解具有非線性以及時變的特性。這類問題在地面求解有許多研究成果，包括工業(yè)控制領(lǐng)域的廣義預(yù)測控制[12]等技術(shù)都可以參考，一些智能控制方法已經(jīng)能夠解決經(jīng)典控制方法難以處理的高維時變微分方程的求解。但在箭上嵌入式計算機(jī)的硬件條件下，這些方法幾乎是不可用的。我們得出這一結(jié)論的理由是用了最直觀的主頻對比原則：如果地面計算每個周期耗時超過了飛行控制周期，那么在箭上性能更低的處理器上耗時會更大以致不能滿足實時控制的要求，這也是直接法一直難以在閉路制導(dǎo)飛行實時解算中應(yīng)用的主要原因。但若采用軟硬件協(xié)同設(shè)計，未來解決該問題并非不可能。

針對上文提出的問題，可以首先考慮采用“閉路攝動制導(dǎo)”方法，即在飛行中實時求解目標(biāo)參數(shù)對控制變量的一階偏導(dǎo)數(shù)，然后根據(jù)下式計算修正量

(3)

以X0+ΔX重復(fù)公式(1)的計算過程，并再次確認(rèn)目標(biāo)參數(shù)Y0(X0+ΔX)與要求值Ys是否在誤差范圍內(nèi)；如果在則認(rèn)為本次計算收斂，由X0+ΔX確定本控制周期推力方向，實際就是調(diào)整了飛行程序角；如果不滿足誤差要求，則需要重新迭代計算。

偏導(dǎo)數(shù)求解采用數(shù)值法，以x1為例，即以(x10+Δx1x20x30x40x50x60x70)T代入公式(1)，得到：(y10+Δy1y20+Δy2y30+Δy3y40+Δy4y50+Δy5y60+Δy6y70+Δy7)T，

要算出對7個控制變量的偏導(dǎo)數(shù)，就要進(jìn)行上述7次完整的計算。因此公式(1)要計算9次，在得到49個偏導(dǎo)數(shù)后按照公式(3)矩陣求逆。如果硬件與軟件沒有協(xié)同設(shè)計，算法設(shè)計人員會根據(jù)在地面計算機(jī)上的計算量對目標(biāo)系統(tǒng)提出計算速度的要求，這些運(yùn)算串行完成。但在軟硬件協(xié)同設(shè)計中，我們會自然地分析出前8次公式(1)的運(yùn)算并沒有相關(guān)性，只有第9次運(yùn)算需要矩陣求逆后的運(yùn)算結(jié)果，因此可以考慮并行處理。2種處理方法的不同如圖4所示。

并行能加快計算速度，下一步將對并行方案進(jìn)一步細(xì)化。假設(shè)用的處理器只有80486(80386+80387)，則有如下3種方案：

方案1采用8個處理器并行，顯然9個486的設(shè)計非常耗費(fèi)資源。80486實際上是由IU(80386)和FPU(80387)組成的，在本例中，IU并非需要并行，只是數(shù)學(xué)運(yùn)算相關(guān)的處理需要加速，如果有可靠的FPU，如80387，則可以僅將FPU進(jìn)行并行處理，這就是方案2的設(shè)計。與方案1相比，這種設(shè)計已經(jīng)大大節(jié)省資源。

圖4 處理流程

圖5 并行處理方案

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，主要的運(yùn)算都是矩陣運(yùn)算(6*6矩陣與向量乘、7*7矩陣的求逆等)，而浮點(diǎn)處理器(如80387)在矩陣運(yùn)算方面并沒有優(yōu)勢，并且許多浮點(diǎn)運(yùn)算功能在本項目中并不需要，此時如果有成熟的矢量運(yùn)算器可以選擇，通過特殊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)，可以加速矩陣的運(yùn)算，這就是方案3。此外，本示例中各個運(yùn)算器之間的數(shù)據(jù)交互量很少，因此采用片外并行也是可取的，即單獨(dú)設(shè)計矢量運(yùn)算器，沒有必要將之集成到486中。

以上假設(shè)方程的求解可以用一階偏導(dǎo)數(shù)，但實際應(yīng)用中這種方法不具有對各種干擾和限制條件的普適性，因此往往要采用多種優(yōu)化算法。在上述分析中，由于偏導(dǎo)數(shù)的求解導(dǎo)致積分運(yùn)算重復(fù)了好多遍，因此考慮了并行處理。對其他算法而言，不同控制變量組合下的積分運(yùn)算也要進(jìn)行很多次，在同等時間內(nèi)參數(shù)調(diào)整的頻度越多，選擇的子樣越大，找到最優(yōu)解的速度也越快，因此并行處理的思路對其他算法同樣是有益的，甚至需要的運(yùn)算器更多，上述示例有其示范性。

5 小結(jié)

基于軟硬件協(xié)同仿真的系統(tǒng)綜合設(shè)計，借鑒了SOC相關(guān)概念和技術(shù)，它需要成熟的IP核作為基礎(chǔ)，尤其是處理器的IP核，這可以使我們直接選擇目標(biāo)系統(tǒng)開展設(shè)計，也自然地將國產(chǎn)化要求融入到設(shè)計中，這是這種設(shè)計方法最大的特點(diǎn)。從2個應(yīng)用示例也可以看出，系統(tǒng)綜合的結(jié)果是考慮各種約束條件下整體最優(yōu)、且最適合當(dāng)前技術(shù)水平和生產(chǎn)能力的方案，是較為可靠和現(xiàn)實可行的方案。當(dāng)然，軟硬件協(xié)同仿真的效率目前還不是很高，在某次工程實踐中，1s運(yùn)算量的仿真需要一整天即24h的時間。但我們有理由相信，未來仿真技術(shù)的發(fā)展會進(jìn)一步提高速度，而且1s的時間對確定方案也是基本夠了，畢竟1s已是幾十甚至幾百個控制周期的時間了，足夠用來仿真和評價可能最耗時的運(yùn)算周期。

本文重點(diǎn)討論了控制系統(tǒng)算法設(shè)計及其硬件實現(xiàn)，與電子學(xué)的軟硬件協(xié)同設(shè)計以及仿真中的虛擬樣機(jī)技術(shù)等不盡相同。從分析中可以看到，它縮短了系統(tǒng)設(shè)計與產(chǎn)品實現(xiàn)之間的研制鏈條，使得上下游結(jié)合更加緊密，也是大幅提升系統(tǒng)性能的有效手段。但無論從建模以及軟硬件功能調(diào)整、驗證等工作看，均對系統(tǒng)設(shè)計人員的綜合素質(zhì)提出了很高的要求，這可能成為限制該技術(shù)推廣應(yīng)用的瓶頸。

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[11] 宋征宇.從準(zhǔn)確、精確到精益求精——載人航天推動運(yùn)載火箭制導(dǎo)方法的發(fā)展[J].航天控制.2013,31(1)：4-10.

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