MBSE 在飛控系統設計中的應用探討

齊廣峰，夏 路

（1.海軍裝備部，西安 710056；2.中國航空工業集團公司西安飛行自動控制研究所，西安 710056）

1 引言

在20世紀50～60年代，飛控系統主要采用機械操縱，飛機通常設計為靜安定的，通過飛控系統解決飛機操縱性和穩定性之間的矛盾問題；進入20世紀70年代以后，電傳飛控概念的出現徹底改變了整個飛機領域的設計理念，大幅提升了飛機的任務包線，隨著多電/全電飛機的發展，以F-35為代表的飛機大量采用功率電傳作動器，標志著飛控系統進入到功率電傳時代，隨著未來戰爭模式逐步走向信息化時代，光傳飛控也走上了發展的快車道[1]。

2 飛機控制系統發分析

在體系架構方面，傳統飛行控制系統采用集中式架構，傳感器數據的處理、解算再到最后控制指令的輸出均集中在飛控計算機中，而隨著計算機、通信與控制技術的發展，飛行控制與管理系統架構從集中式向網絡化、分布化、節點智能化發展，促進飛機平臺性能和功能的綜合與提升。

而透過上述發展脈絡進行更深刻的分析，飛控系統的發展具有如下典型特征：

2.1 被控對象愈加復雜，先進控制技術需求迫切

由于現代飛機越來越多的采用靜不安定設計，飛行包線大幅擴展，各種各樣不同于傳統構型的飛機和直升機的出現，使得被控對象的數學表達越來越復雜，傳統控制技術已經逐漸無法滿足上述要求，對于先進控制技術的需求越來越迫切。

2.2 功能愈加多樣，作用愈加重要

飛管/飛控系統已經不僅僅是作為單一的控制飛機舵面/直升機變距的子系統，減輕駕駛員的操縱負擔，提升飛行品質，而是整個飛機綜合航電和綜合控制交叉的子集，承擔著飛行控制，任務管理，人機交互等多層次，多維度的任務，在飛機大系統中起著至關重要的作用。

隨著飛控系統的復雜度越來越高，采用傳統的設計方法和流程對于設計效率的提升有限，而且各個子系統如何在設計階段就進行充分的綜合驗證也成為擺在設計師面前的一道難題，而基于模型的系統工程（MBSE）方法論的提出則提供了一條新的思路，通過基于系統模型開展全流程的飛控系統設計，從設計之初就利用模型進行信息傳遞，確認設計和需求的符合性，減少設計反復和風險。

本文對MBSE 在飛控系統的應用進行了研究分析，以此為基礎，在某型直升機飛控系統研制過程中實踐應用MBSE 方法論，并對未來MBSE 在飛控系統中應用的發展進行了探討，為MBSE在其他航空領域的應用提供參考。

3 MBSE 在飛控系統設計中的應用

3.1 基于模型的設計方法

當需要開發一個系統時，傳統上的方法是一種基于文檔的形式，這種方式在出現MBSE 之前，是開發設計系統工程的唯一形式[2]，設計師通過文檔的集合來定義系統的開發過程和結果。

自2007年國際系統工程學會（INCOSE）正式提出基于模型的系統工程（MBSE）詳細定義以后，國內外均開展了很多相關的研究，MBSE 本質上是一種系統工程方法，側重于創建和利用領域模型作為工程師之間信息交換方式，而不是基于文檔[3]，它是一種用來捕獲系統架構、關系、需求和約束的系統工程方法[4]，強調各子系統之間數據和控制流的交換[5]，空客公司采用MBSE 流程來開展A350全生命周期階段的研發；美國航空航天局（NASA）也積極推進MBSE 在航天領域中的應用。

MBSE 的流程元素主要包括：需求分析、系統功能分析、架構設計、模型/需求庫以及測試/驗證數據庫。流程元素之間的相互關系如圖1所示。

圖1 MBSE的流程元素

系統設計師首先把用戶需求及外部環境約束變換為系統要求，然后進行系統的功能定義和分析，建立系統的模型/需求庫，同時創建黑盒測試用例，然后進行架構設計，與此同時把系統的性能功能分配到系統，得到白盒用例，識別系統間的交互關系和接口，執行模型的驗證直至完成整個系統方案的定義。

3.2 傳統飛控系統的設計特點

由于飛控系統是飛機關鍵分系統，涵蓋傳感器，計算單元以及伺服作動機構等眾多LRU 部件，但是在傳統的飛控系統設計過程中，部件往往是相互獨立或者是松耦合的，隸屬于不同系統的分系統沒有模型的傳遞，往往建立不起來緊密的聯系，單個部件也僅針對由設計輸入文件或系統需求分解的指標進行符合性設計，并未考慮系統內部件之間或系統外部件與外圍設備的交聯耦合關系以及相互之間的約束和影響，那么按上述思路設計帶來的負面影響就是飛控系統產品各部件能夠滿足各自的設計要求，但是當組合為系統后，卻有可能由于其他產品的影響導致自身的功能喪失或者性能下降。然而在飛控/飛管系統日益復雜的趨勢之下，任何一個部件功能喪失或者性能下降都會給整個系統甚至飛機帶來嚴重的影響，而這種情況往往是不可接受的。在飛控系統設計中應用MBSE 方法論需要遵循基于模型的系統研制流程，利用MBSE 的流程元素，在系統頂層設計階段即針對各個部件的功能、性能特性建立相應的部件模型；在方案設計階段開展系統的功能、性能仿真試驗，通過仿真部件的性能參數獲得產品之間的交聯耦合關系；根據仿真試驗結果找出系統設計中的薄弱環節或者忽略要素；然后改進設計或辨識出系統的約束條件，迭代仿真至滿足要求；最后進行系統功能、性能分解，部件開展詳細設計，并對模型中的薄弱環節進行針對性改進，降低設計風險，提高效率，實現系統完全可觀測和可控，MBSE 的應用如圖2所示。

2.3 MBSE 在飛控系統設計中的應用分析

圖2 MBSE在飛控系統設計中的應用

4 MBSE 在飛控系統設計中的實踐

電磁差動變壓器式位移傳感器（LVDT 和RVDT）作為飛控系統位置反饋傳感器在高精度測量舵機行程、桿頭指令、電磁閥開度等領域得到了廣泛的應用；在某型直升機飛控系統研制過程中，為降低飛控系統的成本決定采用一種新技術的電磁差動位移傳感器，與之相連的負載為飛控計算機，兩個部件都嚴格按照設計需求完成各自的方案設計并制出樣件，精度指標符合要求。但是將所有樣件連接成飛控系統后，發現傳感器的輸出信號嚴重劣化，測量精度完全無法滿足設計指標要求，對項目推進造成不利影響。

應用MBSE 方法論，對傳感器和飛控計算機子系統進行功能分解和分配，從內部梳理子系統功能和內外部接口關系，識別系統交聯關系，建立各自相應的模型以及交聯接口的模型，定義“傳感器-飛控計算機”系統的狀態行為，通過仿真發現雖然傳感器和飛控計算機各自均滿足設計要求，但是二者交聯以后由于計算機輸入阻抗過大導致局部系統阻尼太小使傳感器輸出信號振蕩，無法使用，在這種情況下更改計算機接口需求，通過嚴密的數學計算和仿真得到飛控計算機輸入阻抗范圍，更新計算機接口模型，并進行仿真和試驗執行模型，進行驗證和確認更改正確，最終完善飛控計算機詳細設計，問題成功解決。

5 結束語

從理論和實踐過程來看，MBSE 是解決復雜飛控系統方案設計中多約束條件下的最優解，使得系統之間，系統與子系統之間信息的傳遞和溝通更加靈活和方便，使得設計和驗證效率得到了極大地提高。

從飛控/飛管系統未來的發展動向來看，系統的復雜度大幅增加，安全性、可靠性則要求越來越嚴苛，而且隨著研制周期的不斷縮短，采用傳統的系統產品設計思想將越來越難以適應產品高質量快速開發的要求，而MBSE 在飛控系統產品工程設計中的應用也將扮演越來越重要的角色。

從飛控/飛管系統在飛機系統中的作用來看，成品設備呈現出多樣化的發展趨勢，各成品之間存在大量的信息交互，系統、子系統之間的關聯越來越密切，飛機系統的設計正逐步走向綜合化，信息化，分布式的發展方向，應用MBSE 在全機設計過程中將能夠很好的利用模型提前預知并解決問題，能夠對全機復雜大系統的設計提供良好助力。