運載火箭姿態控制知識管理系統開發論文
運載火箭姿態控制知識管理系統開發論文
在運載火箭姿態控制系統的研製過程中，已有的姿態控制系統設計知識尚未得到很好的表示和有效的重用。基於本體［1－3］的運載火箭姿態控制的知識管理系統，整合了對姿態控制本體模型的解析、頻域特性分析和控制器設計，有助於加快研製速度［4－5］。本文給出了這一知識管理系統開發的一些關鍵技術。
1系統總體方案設計
1．1系統結構
本系統的業務處理集中在服務端，所以系統主體採用B／S架構，同時需要建立本體模型，實現對姿態控制系統知識的表示；搭建資料庫，實現對頻域特性分析、控制器設計所涉及到的資料進行有效管理。頁面顯示的資料來自本體檔案和資料庫，同時系統中所有的計算結果都儲存到資料庫中。使用者透過頁面向伺服器端傳送請求，伺服器在接受請求後進行相應業務流程處理，包括本體檔案解析、資料庫訪問、頻域特性分析和控制器設計。系統主要由三個模組構成：本體模型解析模組、頻域特性分析模組和控制器設計模組。系統使用者介面採用JSP、HTML技術開發，後臺基於SSH框架開發，資料庫採用MYSQL資料庫管理系統來開發，伺服器採用APACHETOMCAT7．0。
1．2本體模型建立
為了實現對運載火箭姿態控制系統方面知識的管理與重用，首先我們分析了整個姿態控制系統，將裡面的知識和關係屬性抽取出來，基於這些知識和屬性，應用PROTEGE軟體建立本體模型，生成OWL檔案，實現對運載火箭姿態控制系統本體建模。其中火箭姿態控制系統本體結構主要由箭體（被控物件）、測量機構、控制器（校正網路）、伺服機構組成。而被控物件的知識主要包括俯仰通道、滾動通道和偏航通道的動力學方程、引數及其分析方法。
1．3資料庫設計
資料庫設計的過程，就是首先透過設計可以反映現實世界資訊需求的概念資料模型，然後將其轉換成邏輯模型和物理模型，最終建立為現實使用者服務的資料庫系統。因此，資料庫設計的基本任務就是根據使用者的資訊需求和處理需求，根據資料庫的支撐環境，設計一個結構合理、使用方便、效率較高的資料庫系統。資料庫設計要充分考慮資料儲存的有效性、穩定性及可擴充套件性。本系統採用的是MySQL資料庫管理系統，設計時應遵循以下原則：
1）滿足三正規化設計原則，對資料進行解耦，減少資料冗餘；
2）考慮併發控制，維護資料的正確性和一致性，可以利用加鎖機制；
3）資料庫的操作要保證準確性和完整性。根據需求分析，設計實體物件，主要是火箭姿態控制各環節中不同的引數資料，包括：初始條件設定引數、剛體引數、晃動引數、振動引數，並實現對引數資料的解耦。在運載火箭姿態控制頻域分析階段所需的引數類別和種類都比較多，可透過建立索引加快資料庫的查詢效率；姿態控制中所用到的資料安全級別比較高，為了增加資料的安全性，在資料庫基表的基礎上建立對應檢視，避免直接操作資料庫。
2系統實現
2．1SSH框架系統採用
SSH（Spring＋Struts＋Hibernate）框架開發。SSH框架是目前主流的一種Web開發框架，用於構建靈活、易於擴充套件的Web應用程式。SSH框架的系統主要分為四層：表示層、業務邏輯層、資料持久層和實體層。Struts框架負責MVC（Model，ViewandController）的分離，控制業務跳轉和結果轉發，充當controller層；利用Hibernate框架實現對持久層的操作；Spring作為一個輕量級的IOC容器，負責中間層中的物件建立和管理物件及物件之間的依賴關係，並且能夠整合Struts2和Hibernate框架，發揮框架最大的作用當頁面發出請求後，Struts根據配置檔案（Struts．xml）將ActionServlet接收到的Request請求內容轉發給相應的Ac-tion處理。在本體模型解析模組中，使用者透過瀏覽器顯示的使用者介面發出查詢本體知識請求，ActionServlet將這一請求傳送給Structs，後者依據配置檔案，把這一請求轉給本體知識查詢Ac-tion處理；在業務層中，管理服務元件的.SpringIoC負責向Action提供本體模型解析Model注入，實現本體解析業務邏輯，並返回請求處理結果至使用者介面。在頻域特性分析模組和控制器模組中，呼叫對應Action與相應Model注入與本體模型解析模組業務流程一樣，所需的計算引數資料存放在資料庫中，系統透過Hibernate實現與資料庫的互動，獲取資料，呼叫對應的DAO元件請求並返回請求資料。
2．2本體模型解析模組
為了實現對本體檔案的解析，利用Apache公司提供的開源Jena工具包自己開發了一些工具類，實現對本體owl檔案連線、查詢、修改等操作，以此來實現對本體owl檔案進行解析。在與owl進行互動前，需要利用Jena中的model包中的Mod-elFactory建立本體模型並讀取owl本體檔案，區域性程式碼如下：OntModelontModel＝ModelFactory．createOntologyModel(Ont-ModelSpec．OWL＿MEM);ontModel．read(″file:D:／test／aco．owl″);aco．owl為我們利用Protege軟體建立的火箭姿態控制知識本體模型檔案；ModelFactory是jena工具包提供用來建立各種模型的類，在類中定義了具體實現模型的成員資料以及建立模型。當建立連線成功讀取到aco．owl檔案後，基於Jena工具包開發對應的工具類就能進行查詢、修改等操作，從而實現本體檔案解析。
2．3頻域特性分析模組
在實際的研製過程中，知識需要與實際開發結合起來。透過加入頻域特性分析，能驗證火箭姿態控制效果是否滿足設計要求。為了實現在系統中頻域特性分析，在底層採用MATLAB編寫頻域特性分析程式，然後利用MATLAB自帶的BuiltJA實現了從MATLAB檔案向Java能呼叫的jar檔案的轉化。同時，為了將頻域特性曲線實時顯示給使用者，應用了WebFigures技術頻域特性分析模組所涉及的引數均儲存在MySQL資料庫中。
2．4控制器模組
運載火箭姿態控制系統控制器通常由一階微分環節、慣性環節、振盪環節和二階微分環節組成。位於底層的控制器設計程式由MATLAB編寫，並用MATLAB自帶的BuiltJA技術實現程式碼的轉化（由MATLAB轉化為jar），以方便後臺的呼叫。在給出一套控制器引數後，得到的頻域特性曲線可能無法滿足系統穩定裕度的要求，為此我們設計了基於本體的控制器引數推理機。為了實現控制器引數推理，首先基於經典控制理論和工程設計經驗獲得火箭姿態控制器引數調整規則，並建立這些規則的本體模型；在Protégé環境下實現這些規則的本體模型，生成其owl檔案，並可由本體模型解析模組對其進行解析。在系統執行過程中，推理機可基於當前頻域特性曲線、箭體引數、和姿態控制器設計推理規則的本體模型，給出調整的建議，以此來加快引數調整過程。系統在高頻段幅頻為負值，系統達不到穩定裕度要求，需要調整控制器引數，基於本體的控制器引數推理機給出控制器引數調整建議，加快調參過程。
3結束語
本文研究了運載火箭姿態控制系統知識的表示、管理和重用。透過基於本體的運載火箭姿態控制知識管理系統的開發，實現了對姿態控制系統的本體建模、本體解析、頻域特性分析和控制器設計的整合，加快了研製速度。同時系統功能模組完整簡潔，互動介面友好，具有高可靠性、可擴充套件性、易用性等特點，有很好的應用價值。
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