關(guān)于基于模型的設(shè)計(jì)開發(fā)燃油管理系統(tǒng)的性能分析和應(yīng)用簡(jiǎn)介

Airbus A380是當(dāng)前投入運(yùn)營(yíng)的最大商用飛機(jī)，其航程達(dá)8,000多英里。為了能夠長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)飛行，A380的11個(gè)油箱的容量達(dá)到250公噸（320,000升）。

Airbus工程師使用Simulink和Stateflow開發(fā)出可在整個(gè)項(xiàng)目中復(fù)用的燃油管理系統(tǒng)模型。A380復(fù)雜的燃油管理系統(tǒng)可處理地面上的加油和放油操作在飛行中可使燃油流向引擎以及在各個(gè)油箱之間流動(dòng)該系統(tǒng)可使燃油在油箱間移動(dòng)，從而優(yōu)化飛機(jī)的重心，減少機(jī)翼彎曲并使燃油保持在可接受的溫度范圍內(nèi)。

挑戰(zhàn)

A380的燃油管理系統(tǒng)必須能夠安全處理系統(tǒng)中21個(gè)泵、43個(gè)閥和其他機(jī)械組件的所有故障。在復(fù)雜的系統(tǒng)中，要在需求階段預(yù)測(cè)各種相對(duì)小的故障共同產(chǎn)生的問(wèn)題，對(duì)工程師來(lái)說(shuō)挑戰(zhàn)性很大。

A340（A380的前身）的燃油系統(tǒng)規(guī)范文檔有1000多個(gè)書面需求，對(duì)于任何人來(lái)說(shuō)都很難理解這些需求之間所有可能的交互和沖突。“大量的文本需求可能會(huì)造成歧義和誤解。第20頁(yè)上的某個(gè)需求與第340 頁(yè)上的需求沖突很難被發(fā)現(xiàn)?！?/p>

解決方案

Airbus使用基于模型的設(shè)計(jì)為A380的燃油管理系統(tǒng)建模，通過(guò)仿真驗(yàn)證需求并清楚地傳達(dá)功能規(guī)范。

“基于模型的設(shè)計(jì)為我們提供系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)的高度可視性。與以前相比，我們更早地完成了需求驗(yàn)證和多個(gè)同步組件故障的仿真，因此我們知道接下去將會(huì)發(fā)生什么并相信控制邏輯可以管理好它?！?/p>

—— Airbus燃油系統(tǒng)計(jì)算分析專家Christopher Slack

Airbus工程師使用Simulink和Stateflow為系統(tǒng)的控制邏輯建立模型，該模型包括45個(gè)頂層狀態(tài)圖，將近6000個(gè)狀態(tài)和8700多個(gè)轉(zhuǎn)移。該模型定義在地面（包括加油、放油和地面交通）和飛行過(guò)程中（包括正常的引擎給料、重心、載荷減緩及放油）的操作模式。

該團(tuán)隊(duì)還使用Simulink開發(fā)出油箱、泵、閥和電子組件的參數(shù)化對(duì)象模型。工程師可以設(shè)置參數(shù)值，以將模型配置為代表任何Airbus 飛機(jī)的燃油系統(tǒng)。在Simulink 中運(yùn)行了個(gè)別操作組件的閉環(huán)仿真后，團(tuán)隊(duì)將它們集成到一個(gè)完整的系統(tǒng)級(jí)仿真模型。

通過(guò)使用Parallel Computing Toolbox和MATLAB Distributed Computing Server，該團(tuán)隊(duì)在一個(gè)50-worker計(jì)算集群上執(zhí)行蒙特卡洛仿真。團(tuán)隊(duì)也使用Simulink 模型開發(fā)硬件在環(huán)測(cè)試。一個(gè)周末，他們就可以在各種環(huán)境條件和飛機(jī)操作情景下運(yùn)行100,000個(gè)仿真的飛行。

通過(guò)使用Simulink Coder從對(duì)象和控制邏輯模型生成代碼，該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了一個(gè)桌面仿真器?；贛ATLAB的用戶界面使供應(yīng)商、飛機(jī)客戶、維護(hù)工程師和其他Airbus團(tuán)隊(duì)可以了解燃油管理系統(tǒng)的工作原理以及如何與其他飛機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行交互。

在A380的飛行測(cè)試成功后，根據(jù)測(cè)量的飛行測(cè)試數(shù)據(jù)，團(tuán)隊(duì)使用System Identification Toolbox調(diào)整他們的對(duì)象模型。他們使用Signal Processing Toolbox從測(cè)試數(shù)據(jù)中去除噪音，使用Curve Fitting Toolbox評(píng)估測(cè)量數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)結(jié)果之間的差異，并預(yù)測(cè)在超出正常飛行包線后的系統(tǒng)性能。在優(yōu)化對(duì)象模型時(shí)，他們使用SimPowerSystems來(lái)融入電力電子系統(tǒng)的繼電器及其他元件。

結(jié)果

節(jié)省了幾個(gè)月的開發(fā)時(shí)間。Slack說(shuō)：“在早期項(xiàng)目中，將燃油系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真的駕駛艙或鐵鳥試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行集成需要花九個(gè)月的時(shí)間。而通過(guò)在A380上使用基于模型的設(shè)計(jì)，所需的時(shí)間不到一個(gè)月。同樣，通過(guò)模型復(fù)用來(lái)試運(yùn)行HIL平臺(tái)，我們節(jié)省了三個(gè)月的開發(fā)時(shí)間，并縮短了從初始概念到第一次飛行的時(shí)間。”

在開發(fā)中重復(fù)使用模型。Slack說(shuō)：“Simulink 和Stateflow 模型使我們可以提前驗(yàn)證需求并向我們的供應(yīng)商傳達(dá)功能規(guī)范，以便按照ARP 4754 補(bǔ)充書面需求。我們可以重復(fù)使用這些模型來(lái)創(chuàng)建桌面仿真器，試運(yùn)行我們HIL測(cè)試平臺(tái)，在我們的虛擬集成平臺(tái)上運(yùn)行以及向客戶展示系統(tǒng)功能。”

無(wú)需增加員工就可以處理更大的復(fù)雜性。Slack解釋說(shuō)：“A380的燃油系統(tǒng)比A340的燃油系統(tǒng)復(fù)雜三到四倍?；谀Ｐ偷脑O(shè)計(jì)使我們可以用相同規(guī)模的工程團(tuán)隊(duì)來(lái)處理本質(zhì)上更為復(fù)雜的項(xiàng)目。”