運(yùn)載火箭姿態(tài)控制知識(shí)管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

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摘要：在研制運(yùn)載火箭的過(guò)程中，現(xiàn)有的很多知識(shí)沒(méi)有得到有效的表示、組織和重用。因此開(kāi)發(fā)一個(gè)知識(shí)管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)載火箭研制中的知識(shí)表示、組織和重用是非常有意義的，可以縮短運(yùn)載火箭的研制周期。研究了基于本體的運(yùn)載火箭姿態(tài)控制知識(shí)管理系統(tǒng)，提出基于J2EE平臺(tái)的運(yùn)載火箭知識(shí)表示、管理和重用的解決方案。整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)載火箭姿態(tài)控制系統(tǒng)的本體解析、頻域特性分析和控制器設(shè)計(jì)，從而加快研制速度。

關(guān)鍵詞：運(yùn)載火箭，姿態(tài)控制系統(tǒng)，本體，知識(shí)表示

在運(yùn)載火箭姿態(tài)控制系統(tǒng)的研制過(guò)程中，已有的姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)知識(shí)尚未得到很好的表示和有效的重用?；诒倔w［1－3］的運(yùn)載火箭姿態(tài)控制的知識(shí)管理系統(tǒng)，整合了對(duì)姿態(tài)控制本體模型的解析、頻域特性分析和控制器設(shè)計(jì)，有助于加快研制速度［4－5］。本文給出了這一知識(shí)管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的一些關(guān)鍵技術(shù)。

1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1．1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的業(yè)務(wù)處理集中在服務(wù)端，所以系統(tǒng)主體采用B／S架構(gòu)，同時(shí)需要建立本體模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)姿態(tài)控制系統(tǒng)知識(shí)的表示；搭建數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)頻域特性分析、控制器設(shè)計(jì)所涉及到的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效管理。頁(yè)面顯示的數(shù)據(jù)來(lái)自本體文件和數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)系統(tǒng)中所有的計(jì)算結(jié)果都保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中。用戶(hù)通過(guò)頁(yè)面向服務(wù)器端發(fā)送請(qǐng)求，服務(wù)器在接受請(qǐng)求后進(jìn)行相應(yīng)業(yè)務(wù)流程處理，包括本體文件解析、數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)、頻域特性分析和控制器設(shè)計(jì)。系統(tǒng)主要由三個(gè)模塊構(gòu)成：本體模型解析模塊、頻域特性分析模塊和控制器設(shè)計(jì)模塊。系統(tǒng)用戶(hù)界面采用JSP、HTML技術(shù)開(kāi)發(fā)，后臺(tái)基于SSH框架開(kāi)發(fā)，數(shù)據(jù)庫(kù)采用MYSQL數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)來(lái)開(kāi)發(fā)，服務(wù)器采用APACHETOMCAT7．0。

1．2本體模型建立

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)載火箭姿態(tài)控制系統(tǒng)方面知識(shí)的管理與重用，首先我們分析了整個(gè)姿態(tài)控制系統(tǒng)，將里面的知識(shí)和關(guān)系屬性抽取出來(lái)，基于這些知識(shí)和屬性，應(yīng)用PROTEGE軟件建立本體模型，生成OWL文件，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)載火箭姿態(tài)控制系統(tǒng)本體建模。其中火箭姿態(tài)控制系統(tǒng)本體結(jié)構(gòu)主要由箭體（被控對(duì)象）、測(cè)量機(jī)構(gòu)、控制器（校正網(wǎng)絡(luò)）、伺服機(jī)構(gòu)組成。而被控對(duì)象的知識(shí)主要包括俯仰通道、滾動(dòng)通道和偏航通道的動(dòng)力學(xué)方程、參數(shù)及其分析方法。

1．3數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)的過(guò)程，就是首先通過(guò)設(shè)計(jì)可以反映現(xiàn)實(shí)世界信息需求的概念數(shù)據(jù)模型，然后將其轉(zhuǎn)換成邏輯模型和物理模型，最終建立為現(xiàn)實(shí)用戶(hù)服務(wù)的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。因此，數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)的基本任務(wù)就是根據(jù)用戶(hù)的信息需求和處理需求，根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)的支撐環(huán)境，設(shè)計(jì)一個(gè)結(jié)構(gòu)合理、使用方便、效率較高的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)要充分考慮數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的有效性、穩(wěn)定性及可擴(kuò)展性。本系統(tǒng)采用的是MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循以下原則：1）滿(mǎn)足三范式設(shè)計(jì)原則，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解耦，減少數(shù)據(jù)冗余；2）考慮并發(fā)控制，維護(hù)數(shù)據(jù)的正確性和一致性，可以利用加鎖機(jī)制；3）數(shù)據(jù)庫(kù)的操作要保證準(zhǔn)確性和完整性。根據(jù)需求分析，設(shè)計(jì)實(shí)體對(duì)象，主要是火箭姿態(tài)控制各環(huán)節(jié)中不同的參數(shù)數(shù)據(jù)，包括：初始條件設(shè)置參數(shù)、剛體參數(shù)、晃動(dòng)參數(shù)、振動(dòng)參數(shù)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)參數(shù)數(shù)據(jù)的解耦。在運(yùn)載火箭姿態(tài)控制頻域分析階段所需的參數(shù)類(lèi)別和種類(lèi)都比較多，可通過(guò)建立索引加快數(shù)據(jù)庫(kù)的查詢(xún)效率；姿態(tài)控制中所用到的數(shù)據(jù)安全級(jí)別比較高，為了增加數(shù)據(jù)的安全性，在數(shù)據(jù)庫(kù)基表的基礎(chǔ)上建立對(duì)應(yīng)視圖，避免直接操作數(shù)據(jù)庫(kù)。

2系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2．1SSH框架系統(tǒng)采用

SSH（Spring＋Struts＋Hibernate）框架開(kāi)發(fā)。SSH框架是目前主流的一種Web開(kāi)發(fā)框架，用于構(gòu)建靈活、易于擴(kuò)展的Web應(yīng)用程序。SSH框架的系統(tǒng)主要分為四層：表示層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)持久層和實(shí)體層。Struts框架負(fù)責(zé)MVC（Model，ViewandController）的分離，控制業(yè)務(wù)跳轉(zhuǎn)和結(jié)果轉(zhuǎn)發(fā)，充當(dāng)controller層；利用Hibernate框架實(shí)現(xiàn)對(duì)持久層的操作；Spring作為一個(gè)輕量級(jí)的IOC容器，負(fù)責(zé)中間層中的對(duì)象創(chuàng)建和管理對(duì)象及對(duì)象之間的依賴(lài)關(guān)系，并且能夠整合Struts2和Hibernate框架，發(fā)揮框架最大的作用當(dāng)頁(yè)面發(fā)出請(qǐng)求后，Struts根據(jù)配置文件（Struts．xml）將ActionServlet接收到的Request請(qǐng)求內(nèi)容轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的Ac-tion處理。在本體模型解析模塊中，用戶(hù)通過(guò)瀏覽器顯示的用戶(hù)界面發(fā)出查詢(xún)本體知識(shí)請(qǐng)求，ActionServlet將這一請(qǐng)求發(fā)送給Structs，后者依據(jù)配置文件，把這一請(qǐng)求轉(zhuǎn)給本體知識(shí)查詢(xún)Ac-tion處理；在業(yè)務(wù)層中，管理服務(wù)組件的SpringIoC負(fù)責(zé)向Action提供本體模型解析Model注入，實(shí)現(xiàn)本體解析業(yè)務(wù)邏輯，并返回請(qǐng)求處理結(jié)果至用戶(hù)界面。在頻域特性分析模塊和控制器模塊中，調(diào)用對(duì)應(yīng)Action與相應(yīng)Model注入與本體模型解析模塊業(yè)務(wù)流程一樣，所需的計(jì)算參數(shù)數(shù)據(jù)存放在數(shù)據(jù)庫(kù)中，系統(tǒng)通過(guò)Hibernate實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫(kù)的交互，獲取數(shù)據(jù)，調(diào)用對(duì)應(yīng)的DAO組件請(qǐng)求并返回請(qǐng)求數(shù)據(jù)。

2．2本體模型解析模塊

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)本體文件的解析，利用Apache公司提供的開(kāi)源Jena工具包自己開(kāi)發(fā)了一些工具類(lèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)本體owl文件連接、查詢(xún)、修改等操作，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)本體owl文件進(jìn)行解析。在與owl進(jìn)行交互前，需要利用Jena中的model包中的Mod-elFactory創(chuàng)建本體模型并讀取owl本體文件，局部代碼如下：OntModelontModel＝ModelFactory．createOntologyModel(Ont-ModelSpec．OWL＿M(jìn)EM);ontModel．read(″file:D:／test／aco．owl″);aco．owl為我們利用Protege軟件建立的火箭姿態(tài)控制知識(shí)本體模型文件；ModelFactory是jena工具包提供用來(lái)創(chuàng)建各種模型的類(lèi)，在類(lèi)中定義了具體實(shí)現(xiàn)模型的成員數(shù)據(jù)以及創(chuàng)建模型。當(dāng)建立連接成功讀取到aco．owl文件后，基于Jena工具包開(kāi)發(fā)對(duì)應(yīng)的工具類(lèi)就能進(jìn)行查詢(xún)、修改等操作，從而實(shí)現(xiàn)本體文件解析。

2．3頻域特性分析模塊

在實(shí)際的研制過(guò)程中，知識(shí)需要與實(shí)際開(kāi)發(fā)結(jié)合起來(lái)。通過(guò)加入頻域特性分析，能驗(yàn)證火箭姿態(tài)控制效果是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。為了實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)中頻域特性分析，在底層采用MATLAB編寫(xiě)頻域特性分析程序，然后利用MATLAB自帶的BuiltJA實(shí)現(xiàn)了從MATLAB文件向Java能調(diào)用的jar文件的轉(zhuǎn)化。同時(shí)，為了將頻域特性曲線實(shí)時(shí)顯示給用戶(hù)，應(yīng)用了WebFigures技術(shù)頻域特性分析模塊所涉及的參數(shù)均儲(chǔ)存在MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)中。

2．4控制器模塊

運(yùn)載火箭姿態(tài)控制系統(tǒng)控制器通常由一階微分環(huán)節(jié)、慣性環(huán)節(jié)、振蕩環(huán)節(jié)和二階微分環(huán)節(jié)組成。位于底層的控制器設(shè)計(jì)程序由MATLAB編寫(xiě)，并用MATLAB自帶的BuiltJA技術(shù)實(shí)現(xiàn)代碼的轉(zhuǎn)化（由MATLAB轉(zhuǎn)化為jar），以方便后臺(tái)的調(diào)用。在給出一套控制器參數(shù)后，得到的頻域特性曲線可能無(wú)法滿(mǎn)足系統(tǒng)穩(wěn)定裕度的要求，為此我們?cè)O(shè)計(jì)了基于本體的控制器參數(shù)推理機(jī)。為了實(shí)現(xiàn)控制器參數(shù)推理，首先基于經(jīng)典控制理論和工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)獲得火箭姿態(tài)控制器參數(shù)調(diào)整規(guī)則，并建立這些規(guī)則的本體模型；在Protégé環(huán)境下實(shí)現(xiàn)這些規(guī)則的本體模型，生成其owl文件，并可由本體模型解析模塊對(duì)其進(jìn)行解析。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，推理機(jī)可基于當(dāng)前頻域特性曲線、箭體參數(shù)、和姿態(tài)控制器設(shè)計(jì)推理規(guī)則的本體模型，給出調(diào)整的建議，以此來(lái)加快參數(shù)調(diào)整過(guò)程。系統(tǒng)在高頻段幅頻為負(fù)值，系統(tǒng)達(dá)不到穩(wěn)定裕度要求，需要調(diào)整控制器參數(shù)，基于本體的控制器參數(shù)推理機(jī)給出控制器參數(shù)調(diào)整建議，加快調(diào)參過(guò)程。

3結(jié)束語(yǔ)

本文研究了運(yùn)載火箭姿態(tài)控制系統(tǒng)知識(shí)的表示、管理和重用。通過(guò)基于本體的運(yùn)載火箭姿態(tài)控制知識(shí)管理系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)姿態(tài)控制系統(tǒng)的本體建模、本體解析、頻域特性分析和控制器設(shè)計(jì)的整合，加快了研制速度。同時(shí)系統(tǒng)功能模塊完整簡(jiǎn)潔，交互界面友好，具有高可靠性、可擴(kuò)展性、易用性等特點(diǎn)，有很好的應(yīng)用價(jià)值。

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作者:張盛平 曹欣卉 汪崢 鄭宇 單位:東南大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院