MBSE 在飞控系统设计中的应用探讨

齐广峰，夏 路

（1.海军装备部，西安 710056；2.中国航空工业集团公司西安飞行自动控制研究所，西安 710056）

1 引言

在20世纪50～60年代，飞控系统主要采用机械操纵，飞机通常设计为静安定的，通过飞控系统解决飞机操纵性和稳定性之间的矛盾问题；进入20世纪70年代以后，电传飞控概念的出现彻底改变了整个飞机领域的设计理念，大幅提升了飞机的任务包线，随着多电/全电飞机的发展，以F-35为代表的飞机大量采用功率电传作动器，标志着飞控系统进入到功率电传时代，随着未来战争模式逐步走向信息化时代，光传飞控也走上了发展的快车道[1]。

2 飞机控制系统发分析

在体系架构方面，传统飞行控制系统采用集中式架构，传感器数据的处理、解算再到最后控制指令的输出均集中在飞控计算机中，而随着计算机、通信与控制技术的发展，飞行控制与管理系统架构从集中式向网络化、分布化、节点智能化发展，促进飞机平台性能和功能的综合与提升。

而透过上述发展脉络进行更深刻的分析，飞控系统的发展具有如下典型特征：

2.1 被控对象愈加复杂，先进控制技术需求迫切

由于现代飞机越来越多的采用静不安定设计，飞行包线大幅扩展，各种各样不同于传统构型的飞机和直升机的出现，使得被控对象的数学表达越来越复杂，传统控制技术已经逐渐无法满足上述要求，对于先进控制技术的需求越来越迫切。

2.2 功能愈加多样，作用愈加重要

飞管/飞控系统已经不仅仅是作为单一的控制飞机舵面/直升机变距的子系统，减轻驾驶员的操纵负担，提升飞行品质，而是整个飞机综合航电和综合控制交叉的子集，承担着飞行控制，任务管理，人机交互等多层次，多维度的任务，在飞机大系统中起着至关重要的作用。

随着飞控系统的复杂度越来越高，采用传统的设计方法和流程对于设计效率的提升有限，而且各个子系统如何在设计阶段就进行充分的综合验证也成为摆在设计师面前的一道难题，而基于模型的系统工程（MBSE）方法论的提出则提供了一条新的思路，通过基于系统模型开展全流程的飞控系统设计，从设计之初就利用模型进行信息传递，确认设计和需求的符合性，减少设计反复和风险。

本文对MBSE 在飞控系统的应用进行了研究分析，以此为基础，在某型直升机飞控系统研制过程中实践应用MBSE 方法论，并对未来MBSE 在飞控系统中应用的发展进行了探讨，为MBSE在其他航空领域的应用提供参考。

3 MBSE 在飞控系统设计中的应用

3.1 基于模型的设计方法

当需要开发一个系统时，传统上的方法是一种基于文档的形式，这种方式在出现MBSE 之前，是开发设计系统工程的唯一形式[2]，设计师通过文档的集合来定义系统的开发过程和结果。

自2007年国际系统工程学会（INCOSE）正式提出基于模型的系统工程（MBSE）详细定义以后，国内外均开展了很多相关的研究，MBSE 本质上是一种系统工程方法，侧重于创建和利用领域模型作为工程师之间信息交换方式，而不是基于文档[3]，它是一种用来捕获系统架构、关系、需求和约束的系统工程方法[4]，强调各子系统之间数据和控制流的交换[5]，空客公司采用MBSE 流程来开展A350全生命周期阶段的研发；美国航空航天局（NASA）也积极推进MBSE 在航天领域中的应用。

MBSE 的流程元素主要包括：需求分析、系统功能分析、架构设计、模型/需求库以及测试/验证数据库。流程元素之间的相互关系如图1所示。

图1 MBSE的流程元素

系统设计师首先把用户需求及外部环境约束变换为系统要求，然后进行系统的功能定义和分析，建立系统的模型/需求库，同时创建黑盒测试用例，然后进行架构设计，与此同时把系统的性能功能分配到系统，得到白盒用例，识别系统间的交互关系和接口，执行模型的验证直至完成整个系统方案的定义。

3.2 传统飞控系统的设计特点

由于飞控系统是飞机关键分系统，涵盖传感器，计算单元以及伺服作动机构等众多LRU 部件，但是在传统的飞控系统设计过程中，部件往往是相互独立或者是松耦合的，隶属于不同系统的分系统没有模型的传递，往往建立不起来紧密的联系，单个部件也仅针对由设计输入文件或系统需求分解的指标进行符合性设计，并未考虑系统内部件之间或系统外部件与外围设备的交联耦合关系以及相互之间的约束和影响，那么按上述思路设计带来的负面影响就是飞控系统产品各部件能够满足各自的设计要求，但是当组合为系统后，却有可能由于其他产品的影响导致自身的功能丧失或者性能下降。然而在飞控/飞管系统日益复杂的趋势之下，任何一个部件功能丧失或者性能下降都会给整个系统甚至飞机带来严重的影响，而这种情况往往是不可接受的。在飞控系统设计中应用MBSE 方法论需要遵循基于模型的系统研制流程，利用MBSE 的流程元素，在系统顶层设计阶段即针对各个部件的功能、性能特性建立相应的部件模型；在方案设计阶段开展系统的功能、性能仿真试验，通过仿真部件的性能参数获得产品之间的交联耦合关系；根据仿真试验结果找出系统设计中的薄弱环节或者忽略要素；然后改进设计或辨识出系统的约束条件，迭代仿真至满足要求；最后进行系统功能、性能分解，部件开展详细设计，并对模型中的薄弱环节进行针对性改进，降低设计风险，提高效率，实现系统完全可观测和可控，MBSE 的应用如图2所示。

2.3 MBSE 在飞控系统设计中的应用分析

图2 MBSE在飞控系统设计中的应用

4 MBSE 在飞控系统设计中的实践

电磁差动变压器式位移传感器（LVDT 和RVDT）作为飞控系统位置反馈传感器在高精度测量舵机行程、杆头指令、电磁阀开度等领域得到了广泛的应用；在某型直升机飞控系统研制过程中，为降低飞控系统的成本决定采用一种新技术的电磁差动位移传感器，与之相连的负载为飞控计算机，两个部件都严格按照设计需求完成各自的方案设计并制出样件，精度指标符合要求。但是将所有样件连接成飞控系统后，发现传感器的输出信号严重劣化，测量精度完全无法满足设计指标要求，对项目推进造成不利影响。

应用MBSE 方法论，对传感器和飞控计算机子系统进行功能分解和分配，从内部梳理子系统功能和内外部接口关系，识别系统交联关系，建立各自相应的模型以及交联接口的模型，定义“传感器-飞控计算机”系统的状态行为，通过仿真发现虽然传感器和飞控计算机各自均满足设计要求，但是二者交联以后由于计算机输入阻抗过大导致局部系统阻尼太小使传感器输出信号振荡，无法使用，在这种情况下更改计算机接口需求，通过严密的数学计算和仿真得到飞控计算机输入阻抗范围，更新计算机接口模型，并进行仿真和试验执行模型，进行验证和确认更改正确，最终完善飞控计算机详细设计，问题成功解决。

5 结束语

从理论和实践过程来看，MBSE 是解决复杂飞控系统方案设计中多约束条件下的最优解，使得系统之间，系统与子系统之间信息的传递和沟通更加灵活和方便，使得设计和验证效率得到了极大地提高。

从飞控/飞管系统未来的发展动向来看，系统的复杂度大幅增加，安全性、可靠性则要求越来越严苛，而且随着研制周期的不断缩短，采用传统的系统产品设计思想将越来越难以适应产品高质量快速开发的要求，而MBSE 在飞控系统产品工程设计中的应用也将扮演越来越重要的角色。

从飞控/飞管系统在飞机系统中的作用来看，成品设备呈现出多样化的发展趋势，各成品之间存在大量的信息交互，系统、子系统之间的关联越来越密切，飞机系统的设计正逐步走向综合化，信息化，分布式的发展方向，应用MBSE 在全机设计过程中将能够很好的利用模型提前预知并解决问题，能够对全机复杂大系统的设计提供良好助力。