欧空局和空中客车使用基于模型的设计创建上层姿态控制开发框架

当有效载荷与发射装置上部分离时，即使是一个小的故障也会导致意想不到的事件。例如，弹簧损坏或烟火扣件失效，都可能导致有效载荷发生意外旋转。过去，一个独立的工程小组分析分离力学，并向控制工程师提供书面结果。

欧空局和空中客车公司希望用一个物理模型模拟分离故障，以测试控制器检测故障并采取纠正措施的能力。他们还需要模拟推进剂晃动、管道泄漏、阀门卡死以及一系列其他故障。此外，他们希望运行优化，以确定在发生故障时系统的最坏情况性能。

欧空局和空中客车公司的工程师试图尽早在开发中的飞行计算机硬件上测试他们的控制算法。随着控制算法的复杂性不断增长，它们将推动处理器性能和其他计算资源的极限。在设计控制器时，工程师需要在一台代表性的飞行计算机上验证算法性能和资源利用情况，以便最容易纠正问题。

欧洲航天局和空中客车公司的工程师使用基于模型的设计与MATLAB和Simulink创建了USACDF，使闭环仿真和验证控制算法与物理模型。

在Simulink中工作，工程师能够补偿推进剂分布不均造成的动态不平衡。他们将该装置模型与计算流体动力学(CFD)求解器耦合，通过闭环模拟分析推进剂晃动的影响。

他们使用Simulink Design Optimization™进行了优化，通过确定质量、重心偏移和其他系统不确定性的值，找到分离过程的最坏情况，这些值使系统的指向误差最大化。

在statflow中开发了任务和车辆管理状态机^®对正常操作和故障模式的顺序决策逻辑进行建模。

团队向模型添加注释并使用要求工具箱™将模型的元素链接到Microsoft . xml中定义的系统需求^®词^®文档。后来，团队使用Simulink Report Generator™来创建包含注释、链接需求和每个需求的模拟结果的文档。

工程师使用Simscape Multibody™创建了分离机构的3D力学模型，并使用Simscape fluid™创建了冷气体和肼推进器的管道和阀门模型。他们的Simscape模型包括管道泄漏、卡阀和其他分离故障。这使他们能够更全面地运用他们的控制算法。

使用嵌入式编码器^®，他们从他们的控制器模型生成C代码，并使用Polyspace Bug Finder™检查代码的运行时错误。在用软件在环测试验证了这段代码之后，团队使用它在dSPACE上进行实时测试^®在ESA LEON2处理器上进行硬件和后期的在环处理器(PIL)测试。

由此产生的USACDF用于建立复杂轨道服务任务操作概念的演示。

• 设计迭代从一周减少到一天。空中客车公司GNC高级专家Hans Strauch说:“使用基于模型的设计，我可以在一天内完成用以前的方法需要一周时间的设计迭代。”Bennani补充道:“我们需要比以前更少的迭代，因为我们可以执行跨越多个领域的模拟。”
• 失效模式建模和消除。Bennani说:“Simulink中的闭环模拟使我们能够在系统级别上回答问题，以前我们无法以如此精确的方式回答这些问题。”“我们可以向系统工程师解释在复杂操作过程中可能出现的问题，并在较高的水平上展示特定设计选择的效果。”
• 建立了综合设计框架。“基于模型的设计使我们能够创建一个框架，用最先进的鲁棒控制设计算法设计飞行控制器，创建多域物理模型，通过优化调整设计，并在目标硬件上生成PIL测试代码——所有这些都在相同的环境中，”Strauch说。