摘 要：

基于模型的系統(tǒng)工程 （model-based systems engineering， MBSE） 已被廣泛應(yīng)用于復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)之中。通過構(gòu)建功能、行為和結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，提出一種基于MBSE的多層級(jí)遞進(jìn)式架構(gòu)設(shè)計(jì)流程。隨后，以高度控制需求為導(dǎo)向，對(duì)民機(jī)飛行控制系統(tǒng)進(jìn)行了示例化建模。結(jié)果表明，基于MBSE的民機(jī)飛行控制系統(tǒng)多層級(jí)遞進(jìn)式架構(gòu)設(shè)計(jì)能夠充分發(fā)揮數(shù)字模型可重用的優(yōu)勢(shì)，保證需求與功能、邏輯和物理架構(gòu)的緊密結(jié)合，提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可追溯性，可為后續(xù)領(lǐng)域?qū)与A段模型設(shè)計(jì)提架構(gòu)參考。

關(guān)鍵詞：

基于模型的系統(tǒng)工程; 飛行控制系統(tǒng); 多層級(jí)遞進(jìn)式; 架構(gòu)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：

V 37

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A""" DOI：10.12305/j.issn.1001-506X.2024.09.17

Design of civil aircraft flight control system architecture based on MBSE

WANG Qian1， ZHENG Dangdang2，*， TONG Ruiting1， HAN Bing1， YANG Xiaohui1

（1. School of Mechanical Engineering， Northwestern Polytechnical University， Xi’an 710072， China;

2. The First Airplane Design Institute of Aviation Industry Corporation， Xi’an 710089， China）

Abstract：

Model-based systems engineering （MBSE） has been widely used in complex system design. A multi-level progressive architecture design process based on MBSE is proposed by constructing the relationship between function， behavior and structure. Subsequently， guided by the demand for altitude control， an example modeling of the civil aircraft flight control system is conducted. The results indicate the multi-level progressive architecture design of civil aircraft flight control system architecture based on MBSE leverages the advantages of reusable digital models， ensuring a close integration of requirements with functional， logical， and physical architecture. Meanwhile， the method improves the traceability of system design and provides a architectural reference for subsequent domain level model design.

Keywords：

model-based systems engineering （MBSE）; flight control system; multi-level progressive; architecture design

0 引 言

飛行控制系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱飛控系統(tǒng)）作為民機(jī)的關(guān)鍵子系統(tǒng)，承擔(dān)著飛行控制、任務(wù)管理、人機(jī)交互等多層次、多維度的任務(wù)［1-2］。傳統(tǒng)的民機(jī)飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)是以文檔、自然語言作為信息交互和數(shù)據(jù)傳遞的介質(zhì)。這種方式具有很大局限性：首先，飛控系統(tǒng)作為一種涉及多學(xué)科領(lǐng)域的復(fù)雜系統(tǒng)，文字的多義性和不同學(xué)科領(lǐng)域的專用術(shù)語會(huì)使得同層次的設(shè)計(jì)人員難以進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)范的溝通;其次，以文檔作為信息傳遞的手段會(huì)使用和產(chǎn)生大量非連續(xù)、非結(jié)構(gòu)化的靜態(tài)數(shù)據(jù)，造成數(shù)據(jù)冗余，甚至數(shù)據(jù)爆炸，無法確保需求和設(shè)計(jì)的一致性［3-4］。因此，迫切需要引入一種系統(tǒng)工程方法，有效克服上述缺陷，完成民機(jī)飛控系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)。

基于模型的系統(tǒng)工程 （model-based systems engineering， MBSE） 是國(guó)際系統(tǒng)工程學(xué)會(huì)為了應(yīng)對(duì)傳統(tǒng)的基于文檔的系統(tǒng)工程帶來的挑戰(zhàn)，提出的系統(tǒng)工程管理新模式，是對(duì)系統(tǒng)工程活動(dòng)中建模方法應(yīng)用的正式認(rèn)同［5］。一方面通過標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)建模語言 （system modeling laguage， SysML） 構(gòu)建需求模型、功能模型、邏輯/物理架構(gòu)模型等，實(shí)現(xiàn)需求、功能到邏輯/物理架構(gòu)的分解和分配;另一方面，通過模型執(zhí)行實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)需求和功能邏輯的確認(rèn)和驗(yàn)證，驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、測(cè)試、綜合、驗(yàn)證、確認(rèn)等環(huán)節(jié)［6］。

近年來，MBSE方法在系統(tǒng)工程領(lǐng)域得到越來越廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。歐盟開展了EUROSYSLIB（European Leadership in System Modeling and Simulation through Advanced Modelica Libraries）計(jì)劃，致力于建立全歐洲工業(yè)體系共享的系統(tǒng)工程模型庫，截至項(xiàng)目結(jié)束，協(xié)作開發(fā)了13個(gè)開源模型庫和18個(gè)商業(yè)模型庫，覆蓋眾多領(lǐng)域［7］。美國(guó)國(guó)家航天局將MBSE和可靠性與維護(hù)活動(dòng)相結(jié)合，提出基于SysML的航天器控制系統(tǒng)故障管理元模型與建模方法［8］，其下屬研究機(jī)構(gòu)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室制定了MBSE應(yīng)用發(fā)展戰(zhàn)略，目前已在約20個(gè)開發(fā)任務(wù)的全生命周期中應(yīng)用MBSE［9］，其中比較著名的任務(wù)有SMAP （soil moisture active anel passive） 項(xiàng)目［10］、獵戶座項(xiàng)目［11］、火星2020項(xiàng)目、木衛(wèi)二軌道器［12］、歐羅巴快船項(xiàng)目等［13］。洛克希德·馬丁公司使用MBSE方法構(gòu)建基于模型的完整航空和防務(wù)產(chǎn)品的開發(fā)環(huán)境［14］，且公司所屬潛艇設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在全新潛艇電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，將設(shè)計(jì)文檔全部轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)模型，提高問題變更管理效率［15］。意大利芬坎蒂尼船廠在軍艦環(huán)境中采用MBSE方法定義和分析整個(gè)軍艦級(jí)體系結(jié)構(gòu)，從而生成基于北約體系結(jié)構(gòu)框架的工程視圖［16］。法國(guó)阿海琺核工業(yè)公司通過對(duì)MBSE的調(diào)查與研究，制定出一套特制化標(biāo)準(zhǔn)流程，實(shí)現(xiàn)了在項(xiàng)目計(jì)劃中成本分析與策劃以及和其他合作伙伴的高效協(xié)作［17］?？湛凸驹谄銩350系列客機(jī)設(shè)計(jì)過程中，采用MBSE方法建立66個(gè)仿真模型，用于同供應(yīng)商和客戶之間傳遞需求確定設(shè)計(jì)方案［18］。佐治亞理工學(xué)院與福特公司探索通過SysML定義汽車的參考架構(gòu)模型，然后將其自動(dòng)轉(zhuǎn)換成Modelica和Simulink仿真模型以進(jìn)行后續(xù)的分析，使得整個(gè)系統(tǒng)模型具有一致性［19］。

國(guó)內(nèi)方面，陳娟等［20］將MBSE方法應(yīng)用于綜合傳動(dòng)裝置的需求分析過程，自頂向下捕獲與整車性能相關(guān)的綜合傳動(dòng)裝置及部件需求，并定義其追溯關(guān)系，為整車性能匹配與優(yōu)化分析提供方向。高金艷等［21］利用SysML對(duì)火星維護(hù)與管理裝置進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，隨后建立從用戶需求到系統(tǒng)邏輯架構(gòu)和指標(biāo)能力的需求精化映射矩陣，提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可追溯性。武新峰等［22］采用MBSE方法實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭上升段逃逸救生任務(wù)需求模型化，奠定全任務(wù)周期數(shù)字化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)［22］。王雨農(nóng)等［23］采用美國(guó)國(guó)防部架構(gòu)框架 （Department of Defense Architecture Framework， DoDAF） 架構(gòu)和MBSE方法，對(duì)民機(jī)研制要求進(jìn)行細(xì)化與分解，開發(fā)出信息更加立體的飛機(jī)能力模型，指導(dǎo)民用飛機(jī)設(shè)計(jì)。宋羽等［24］采用MBSE方法構(gòu)建SysML模型用于導(dǎo)彈系統(tǒng)設(shè)計(jì)和仿真，極大減少了對(duì)飛行試驗(yàn)的依賴，降低研制成本。楊元龍等［25］通過總結(jié)船舶動(dòng)力系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)流程體系頂層框架，提出基于MBSE的船舶動(dòng)力工程總體正向設(shè)計(jì)方法，有效支撐船舶動(dòng)力工程總體論證與設(shè)計(jì)。彭坤等［26］采用MBSE方法對(duì)載人登月飛船系統(tǒng)進(jìn)行正向設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)載人登月飛船系統(tǒng)總體方案的快速迭代，為后續(xù)載人登月飛行器的MBSE應(yīng)用提供參考。關(guān)鋒等［27］針對(duì)探月工程數(shù)字化研制需求，提出基于模型的探月工程并行協(xié)同設(shè)計(jì)框架，為探月工程協(xié)同論證的并行協(xié)同環(huán)境建設(shè)提供可行解決方案。

本文將MBSE建模思想引入到系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)中，通過構(gòu)建功能、行為和結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，提出一種多層級(jí)遞進(jìn)式架構(gòu)設(shè)計(jì)流程。在該流程指導(dǎo)下，以巡航高度控制需求為導(dǎo)向，進(jìn)行飛控系統(tǒng)建模方法示范和系統(tǒng)頂層架構(gòu)設(shè)計(jì)示例。有效克服了傳統(tǒng)的基于文檔的系統(tǒng)工程方法所存在的短板，保證需求和架構(gòu)緊密結(jié)合，提高了需求和設(shè)計(jì)的一致性。

1 基于模型的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)流程

基于模型的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)以民機(jī)運(yùn)行需求為驅(qū)動(dòng)，通過各層級(jí)功能—行為—結(jié)構(gòu)的映射，黑盒解白，層層遞進(jìn)，最終完成系統(tǒng)頂層架構(gòu)模型的構(gòu)建，其具體流程如圖1所示。

首先，對(duì)民機(jī)利益相關(guān)者進(jìn)行問卷訪談，捕獲民機(jī)運(yùn)行需求SR，并對(duì)SR進(jìn)行精化，得到民機(jī)頂層用例UC;以UC為基礎(chǔ)，開展場(chǎng)景分析，產(chǎn)生實(shí)現(xiàn)民機(jī)頂層用例的一系列行為元素BE;將行為元素向民機(jī)各大系統(tǒng)（例如結(jié)構(gòu)元素DP）進(jìn)行分配，明確各系統(tǒng)之間的交互關(guān)系，并對(duì)其進(jìn)行分析歸納，最終得到民機(jī)各系統(tǒng)需求FR1、FR2等。系統(tǒng)需求以民機(jī)運(yùn)行需求SR為導(dǎo)向，是對(duì)SR更加具體和專業(yè)的描述，指明了各系統(tǒng)必須要執(zhí)行的功能。對(duì)系統(tǒng)需求FR開展場(chǎng)景分析，完成“功能—行為”的映射，并產(chǎn)生系統(tǒng)功能架構(gòu);將行為元素向子系統(tǒng)進(jìn)行分配，完成“行為—結(jié)構(gòu)”的映射，并產(chǎn)生系統(tǒng)邏輯/物理架構(gòu)。采取上述同樣的“功能—行為—結(jié)構(gòu)”的映射方式，可依次得到分系統(tǒng)，乃至各部件的功能和邏輯/物理架構(gòu)等模型，并最終梳理出多層級(jí)遞進(jìn)式的架構(gòu)設(shè)計(jì)框架。

場(chǎng)景分析是一種創(chuàng)造性思維［28］，通過這種方式，可清楚表述需求是通過怎樣的行為來實(shí)現(xiàn)的。在MBSE中，可利用SysML中的用例圖、活動(dòng)圖、順序圖、狀態(tài)機(jī)圖等來進(jìn)行場(chǎng)景描述。其中，用例是對(duì)需求的精化，代表系統(tǒng)名義上的某種運(yùn)行能力［29］，用例圖則清晰的表示執(zhí)行用例的系統(tǒng)與系統(tǒng)所在環(huán)境中的施動(dòng)者間的特定交互?；顒?dòng)圖、順序圖和狀態(tài)機(jī)圖作為SysML的3大動(dòng)態(tài)行為視圖，基于各自特點(diǎn)，可分別從不同角度對(duì)特定交互場(chǎng)景進(jìn)行具體描述。此過程既可分析衍生出下一層級(jí)系統(tǒng)需求，又可產(chǎn)生當(dāng)前層級(jí)功能架構(gòu)，用以指導(dǎo)邏輯/物理架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)。

值得說明的是，本文所提出的多層級(jí)遞進(jìn)式架構(gòu)設(shè)計(jì)流程與目前主流建模方法論MagicGrid具有相似之處。MagicGrid將系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程分為問題域、方案域和解決域3個(gè)層級(jí)，每一層級(jí)都進(jìn)行“需求-功能-邏輯-物理”模型的構(gòu)建和迭代分析，過程整體來說較為復(fù)雜和繁瑣。而本文提出的多層級(jí)遞進(jìn)式架構(gòu)設(shè)計(jì)流程，在參考MagicGrid框架的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)關(guān)注各層級(jí)“功能—行為—結(jié)構(gòu)”之間的映射關(guān)系，通過場(chǎng)景分析的手段將行為元素作為聯(lián)系各方和層級(jí)遞進(jìn)的樞紐?？傮w來看，多層級(jí)遞進(jìn)式架構(gòu)設(shè)計(jì)流程具有較高靈活性，是對(duì)MagicGrid建模思路的精化表述。

2 民機(jī)飛控系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)示例

第1節(jié)對(duì)民機(jī)系統(tǒng)一般架構(gòu)設(shè)計(jì)流程進(jìn)行了概述，第2節(jié)將以此為遵循，進(jìn)行飛控系統(tǒng)MBSE建模方法的示范和系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)示例。

2.1 系統(tǒng)需求捕獲與分析

若要進(jìn)行飛控系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，需首先將系統(tǒng)融入到民機(jī)整體運(yùn)行場(chǎng)景中開展系統(tǒng)需求的捕獲與分析，并利用SysML構(gòu)建民機(jī)級(jí)-系統(tǒng)級(jí)需求之間的聯(lián)系，且充分考慮設(shè)計(jì)過程中所產(chǎn)生的派生需求。

如圖2所示，民機(jī)運(yùn)行上下文明確了民機(jī)運(yùn)行過程中的部分利益相關(guān)者。從民機(jī)整體視角出發(fā)，與其交互的利益相關(guān)者有飛行員、機(jī)務(wù)人員、空管部門、大氣環(huán)境等。將這一層級(jí)的利益相關(guān)者期望歸納總結(jié)，得到如圖3所示的民機(jī)運(yùn)行需求。圖3中，“Id”標(biāo)識(shí)需求序號(hào)，“criticality”標(biāo)識(shí)需求重要性，“Text”標(biāo)識(shí)需求內(nèi)容。

按一般體系結(jié)構(gòu)，對(duì)民機(jī)“黑盒解白”，其被分解為飛控系統(tǒng)、慣導(dǎo)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、飛行管理系統(tǒng)等若干邏輯系統(tǒng)。因本文研究對(duì)象是飛控系統(tǒng)，所以上述提到的慣導(dǎo)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、飛行管理系統(tǒng)乃至飛行員等又可看成是飛控系統(tǒng)的外界交互對(duì)象。

選擇與飛控系統(tǒng)運(yùn)行能力密切相關(guān)的“高度控制”需求為導(dǎo)向，構(gòu)建如圖4所示的頂層用例模型。一般情況下，可采用控制升降舵或發(fā)動(dòng)機(jī)推力的方式來控制巡航高度，但控制發(fā)動(dòng)機(jī)推力實(shí)際上是通過控制速度來改變巡航高度，屬于間接控制，效果比較微弱，而且速度控制已屬于民機(jī)另一種縱向運(yùn)動(dòng)方式，不是本文研究目標(biāo)。所以圖4展示的是完全采用控制升降舵方式來執(zhí)行“穩(wěn)定巡航高度”用例的外部交互者，并不代表采用其他方式在執(zhí)行該用例時(shí)，飛控系統(tǒng)有且僅有上述幾個(gè)外部交互對(duì)象。如圖5所示，以頂層用例模型為指導(dǎo)，對(duì)“穩(wěn)定巡航高度”用例場(chǎng)景進(jìn)行建模。民機(jī)機(jī)體在受到大氣垂直風(fēng)干擾后，運(yùn)行軌跡開始發(fā)生偏離，慣導(dǎo)系統(tǒng)在測(cè)量到民機(jī)實(shí)時(shí)軌跡數(shù)據(jù)后，將其傳送給飛行管理系統(tǒng)。飛行管理系統(tǒng)根據(jù)目標(biāo)軌跡與實(shí)時(shí)軌跡之間的相對(duì)位置關(guān)系進(jìn)行制導(dǎo)律解算，生成俯仰指令。飛控系統(tǒng)在接收到俯仰指令后，結(jié)合民機(jī)實(shí)時(shí)俯仰角、俯仰角速率、慣性垂直速度等信息進(jìn)行控制律解算，生成舵面位移指

令，驅(qū)動(dòng)升降舵偏轉(zhuǎn)，從而引起民

機(jī)的重心位置發(fā)生改變，飛行軌跡開始修正。

通過上述基于“穩(wěn)定巡航高度”用例場(chǎng)景的分析，可以知道飛控系統(tǒng)必須執(zhí)行的行為以及與其交互的外部對(duì)象。對(duì)其進(jìn)行分析歸納，最終初步獲得圖6所示的飛控系統(tǒng)需求架構(gòu)。其主要來源有兩個(gè)方面：一是民機(jī)級(jí)特定運(yùn)行場(chǎng)景的開發(fā)與分析（見圖5）;二是民機(jī)級(jí)原始需求的分解與傳遞（見圖7）。圖7所示的需求派生矩陣?yán)肧ysML基本元素“DeriveRert”明確了民機(jī)級(jí)需求與系統(tǒng)需求之間的追溯關(guān)聯(lián)關(guān)系。特別說明的有以下幾點(diǎn)：一是并非所有的民機(jī)級(jí)需求都會(huì)和飛控系統(tǒng)需求產(chǎn)生派生關(guān)聯(lián)（例如民機(jī)“導(dǎo)航與制導(dǎo)”需求被分解和傳遞到飛行管理系統(tǒng)）;二是同一條系統(tǒng)需求可能來源于多種途徑（例如系統(tǒng)級(jí)“反饋信息監(jiān)測(cè)”需求既來自于民機(jī)級(jí)“狀態(tài)信息監(jiān)測(cè)”需求的分解和傳遞，又來自于圖5所示的特定運(yùn)行場(chǎng)景的開發(fā)與分析）;三是某些民機(jī)級(jí)需求被傳遞到系統(tǒng)級(jí)，成為系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的隱性約束（例如民機(jī)級(jí)“經(jīng)濟(jì)性”、“安全性與可靠性”和“質(zhì)量控制”等需求）。

2.2 系統(tǒng)邏輯架構(gòu)設(shè)計(jì)

以飛控系統(tǒng)需求為導(dǎo)向，對(duì)其執(zhí)行的行為“控制律解算，生成相應(yīng)指令，驅(qū)動(dòng)升降舵偏轉(zhuǎn)”進(jìn)一步細(xì)化分解，最終得到如圖8所示的飛控系統(tǒng)功能架構(gòu)。

對(duì)飛控系統(tǒng)進(jìn)行子系統(tǒng)劃分，確保功能架構(gòu)中的行為有相應(yīng)子系統(tǒng)進(jìn)行承載。一般來說，各邏輯子系統(tǒng)劃分的顆粒度大小會(huì)隨著不同設(shè)計(jì)者的習(xí)慣和經(jīng)驗(yàn)而有所不同，但總前提一致，即各邏輯子系統(tǒng)承載的功能總和要能夠滿足系統(tǒng)需求。本節(jié)遵循飛控系統(tǒng)一般組成結(jié)構(gòu)，將其劃分為控顯分系統(tǒng)、傳感裝置、伺服作動(dòng)系統(tǒng)和飛控計(jì)算機(jī)四大邏輯模塊，如圖9所示。

圖10所示的需求精化矩陣具體指明了4大邏輯模塊與系統(tǒng)需求之間的追溯關(guān)聯(lián)關(guān)系。在確定完系統(tǒng)邏輯組成后，將圖8所示的飛控系統(tǒng)功能架構(gòu)中的各行為向4大邏輯模塊分配，得到如圖11所示的飛控系統(tǒng)執(zhí)行“穩(wěn)定巡航高度”任務(wù)白盒活動(dòng)圖。飛控計(jì)算機(jī)根據(jù)外部系統(tǒng)提供的俯仰指令、實(shí)時(shí)俯仰角、慣性垂直速度和俯仰角速率等信息進(jìn)行控制律解算，生成舵機(jī)控制信號(hào)和飛行指引指令。其中，舵機(jī)控制信號(hào)傳遞給伺服作動(dòng)系統(tǒng)，由其結(jié)合傳感裝置反饋的舵面位置等信息，進(jìn)行信號(hào)綜合和轉(zhuǎn)換，最終產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)升降舵偏轉(zhuǎn)的指令。飛行指引指令則通過控顯分系統(tǒng)反饋給飛行員，由其負(fù)責(zé)對(duì)民機(jī)工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。在得到上述白盒活動(dòng)圖后，通過行為到結(jié)構(gòu)之間的映射，如圖12所示完成飛控系統(tǒng)邏輯架構(gòu)設(shè)計(jì)，P為通信端口。系統(tǒng)邏輯架構(gòu)充分展示了各邏輯分系統(tǒng)之間通過接口進(jìn)行交聯(lián)的詳細(xì)信息，為后續(xù)物理架構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了重要的架構(gòu)參考。

2.3 系統(tǒng)物理架構(gòu)設(shè)計(jì)

邏輯架構(gòu)作為需求與實(shí)際設(shè)計(jì)之間的橋梁，并不具備太多物理意義。因此需要對(duì)第2.2節(jié)所得的4大邏輯分系統(tǒng)進(jìn)一步細(xì)化分解。這一層級(jí)劃分的主要依據(jù)是要確保相應(yīng)物理組件能夠支撐各邏輯分系統(tǒng)行為單元的實(shí)現(xiàn)，此處以伺服作動(dòng)系統(tǒng)為例進(jìn)行詳細(xì)說明。

如圖13所示，依據(jù)通用參考架構(gòu)，伺服作動(dòng)系統(tǒng)由伺服控制器和伺服作動(dòng)器組成。其中，伺服控制器既是伺服作動(dòng)器的控制器，又是作動(dòng)器實(shí)現(xiàn)余度管理、通道故障邏輯轉(zhuǎn)換以及與飛控計(jì)算機(jī)接口連接的重要裝置［30］。伺服作動(dòng)器作為伺服作動(dòng)系統(tǒng)的執(zhí)行部件，可以實(shí)現(xiàn)電氣至機(jī)械運(yùn)動(dòng)之間的信號(hào)轉(zhuǎn)換，并驅(qū)動(dòng)民機(jī)升降舵產(chǎn)生機(jī)械運(yùn)動(dòng)。根據(jù)功能實(shí)現(xiàn)方式的不同，伺服作動(dòng)器目前主要有兩種類型：機(jī)電伺服作動(dòng)器和電液伺服作動(dòng)器。這兩種類型既繼承了伺服作動(dòng)器的一般特性，又有其各自獨(dú)有特點(diǎn)，故用“泛化”關(guān)系表示三者之間的聯(lián)系。

機(jī)電伺服作動(dòng)器將飛控計(jì)算機(jī)的電信號(hào)指令直接轉(zhuǎn)換為作用在氣動(dòng)面上的機(jī)械動(dòng)力，其被分解為電機(jī)、電機(jī)控制器、減速器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)（滾珠絲杠機(jī)構(gòu)/齒輪旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)）等物理組件來支持行為單元的實(shí)現(xiàn)。電液伺服作動(dòng)器將控制器的電信號(hào)，通過電液轉(zhuǎn)換裝置按一定的比例轉(zhuǎn)換成液壓指令信號(hào)，該信號(hào)驅(qū)動(dòng)液壓動(dòng)力放大部件，使其輸出具有一定壓力和流量的液壓動(dòng)力信號(hào)，來控制飛機(jī)氣動(dòng)面的偏轉(zhuǎn)?？紤]到機(jī)電伺服作動(dòng)器存在機(jī)械卡死的風(fēng)險(xiǎn)，且本文采用的是控制升降舵的方式來保持巡航高度的穩(wěn)定，升降舵屬于主飛控操縱面，根據(jù)一般設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，主控舵面作動(dòng)系統(tǒng)常選用電液伺服作動(dòng)器。

在權(quán)衡確定完物理組件后，對(duì)伺服作動(dòng)系統(tǒng)所承擔(dān)的行為單元“舵機(jī)運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)升降舵偏轉(zhuǎn)”進(jìn)行“黑盒解白”，得到如圖14所示的伺服作動(dòng)系統(tǒng)任務(wù)執(zhí)行白盒活動(dòng)圖。伺服控制器的控制電子裝置在接收到來自飛控計(jì)算機(jī)的舵機(jī)控制信號(hào)后，結(jié)合傳感裝置反饋的舵面位置回輸信號(hào)進(jìn)行控制律解算，生成舵面位移電信號(hào);變換放大器對(duì)該信號(hào)放大處理后傳送給電液伺服閥進(jìn)行電液轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的負(fù)載流量與壓力驅(qū)動(dòng)液壓作動(dòng)筒產(chǎn)生機(jī)械運(yùn)動(dòng)與功率輸出，從而使得與其相連的升降舵發(fā)生偏轉(zhuǎn)，飛行軌跡開始修正。

結(jié)合伺服作動(dòng)系統(tǒng)白盒活動(dòng)圖，通過“行為—結(jié)構(gòu)”的映射，得到如圖15所示的伺服作動(dòng)系統(tǒng)物理架構(gòu)。因并未指定各物理組件類型和具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)（例如電液伺服閥是選用流量伺服閥還是壓力伺服閥），所以此處物理架構(gòu)僅是參考物理架構(gòu)，類似于產(chǎn)品族概念。

特別強(qiáng)調(diào)的是，與飛控系統(tǒng)級(jí)類似，伺服作動(dòng)分系統(tǒng)級(jí)也是按照“功能—行為—結(jié)構(gòu)”的流程進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計(jì)，但由于篇幅原因，本文并未嚴(yán)格按照該流程進(jìn)行一一贅述。只是將伺服作動(dòng)系統(tǒng)的部分設(shè)計(jì)工作融入到飛控系統(tǒng)級(jí)，延申為該級(jí)的物理架構(gòu)。因?yàn)槎鄬哟芜f進(jìn)式架構(gòu)設(shè)計(jì)本身也是為了通過“民機(jī)級(jí)—系統(tǒng)級(jí)—分系統(tǒng)級(jí)”層層推演的手段，最終獲得實(shí)現(xiàn)民機(jī)運(yùn)行需求的頂層參考物理架構(gòu)，為后續(xù)領(lǐng)域?qū)幽Ｐ偷慕⑻峁┲匾募軜?gòu)參考。

3 結(jié) 論

本文針對(duì)傳統(tǒng)的飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中所存在的自然語言二義性、需求和設(shè)計(jì)之間追溯不明確等問題，提出了一種多層級(jí)遞進(jìn)式的MBSE架構(gòu)設(shè)計(jì)方法，該方法基于SysML語言建立數(shù)字化模型，通過構(gòu)建各層級(jí)功能、行為和結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，黑盒解白，層層遞進(jìn)，最終完成系統(tǒng)頂層架構(gòu)設(shè)計(jì)。此外，該方法還搭建起各層設(shè)計(jì)之間的可追溯性鏈接，使得每一步設(shè)計(jì)都以最初的頂層需求為準(zhǔn)則，確保需求和設(shè)計(jì)的一致性。

本文采用上述方法，以巡航高度控制需求為導(dǎo)向，完成了架構(gòu)的設(shè)計(jì)示例，在實(shí)踐過程中該方法體現(xiàn)出諸多優(yōu)點(diǎn)：

（1） 多層級(jí)遞進(jìn)式架構(gòu)設(shè)計(jì)流程提供了清晰的思路框架，使得建模過程規(guī)范化，減少了設(shè)計(jì)過程中由于經(jīng)驗(yàn)不足而產(chǎn)生的重復(fù)工作。

（2） 充分發(fā)揮SysML模型可重用的優(yōu)勢(shì)。建模過程中，構(gòu)成系統(tǒng)模型的模型元素以及它們之間的相互關(guān)系均存儲(chǔ)在模型庫中，原先包含在文檔中的規(guī)范、設(shè)計(jì)、分析等信息，可從模型庫中直接提取，極大方便了后續(xù)的設(shè)計(jì)開發(fā)。

（3） 分別從動(dòng)態(tài)行為和靜態(tài)結(jié)構(gòu)兩個(gè)視角展現(xiàn)了飛控系統(tǒng)頂層架構(gòu)，且動(dòng)態(tài)行為模型具有仿真驗(yàn)證功能，以初步判定系統(tǒng)執(zhí)行邏輯性是否符合用戶預(yù)期。

因此，本文提出的多層級(jí)遞進(jìn)式的MBSE架構(gòu)設(shè)計(jì)方法相較于傳統(tǒng)的基于文檔的系統(tǒng)工程方法具有明顯優(yōu)勢(shì)，在實(shí)例模型構(gòu)建中已初步顯現(xiàn)。該方法邏輯性和適用性都較強(qiáng)，在飛控系統(tǒng)等一系列復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中具有很好的應(yīng)用前景。

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作者簡(jiǎn)介

王 乾（1998—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)镸BSE數(shù)字化建模技術(shù)。

鄭黨黨（1986—），男，高級(jí)工程師，博士，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、產(chǎn)品生命周期管理、MBSE應(yīng)用技術(shù)。

佟瑞庭（1981—），男，副教授，博士，主要研究方向?yàn)镸BSE、數(shù)字孿生技術(shù)。

韓 冰（1981—），男，副研究員，博士，主要研究方向?yàn)槠脚_(tái)研發(fā)、MBSE應(yīng)用技術(shù)。

楊小輝（1970—），男，副教授，博士，主要研究方向?yàn)榍度胧杰浖O(shè)計(jì)、MBSE應(yīng)用技術(shù)。