[发明专利]基于Modelica模型的航天器推进系统动态分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种航天器推进系统动态分析方法，具体而言是涉及一种基于Modelica模型的航天器推进系统动态分析方法。

背景技术

Modelica是国际仿真界于1997年提出的一种开放的全新多领域统一建模语言，它归纳和统一了先前多种建模语言，且融合了键合图的非因果建模思想、Java语言的面向对象技术和Matlab的数值与矩阵机制，因而具备极其强大的建模功能。面向对象性和非因果性是Modelica 语言最大的优点。面向对象的建模方法具有数据封装、分层、连接和继承等特征，易于减少错误的发生并容易实现模型的重用。所谓非因果性建模，就是以一种中性、自然的形式表达模型方程，从而不必更多的考虑计算顺序，避免了对模型方程的繁琐推导，从而提高了建模效率，并使部件模型易于被重复使用。Modelica语言采用陈述式、基于方程的非因果建模方法建立模型，通过定义接口，使模型接口的标准化，因此采用Modelica建模可以使物理系统各子系统之间既能完全独立又可互相统一。

基于扩展性的考虑，Modelica支持以外部函数的方式调用C/C++、Python等多种编程语言函数，在传统的Modelica语言建模工具软件中，仅支持以文本编辑的方式引入外部函数，需要以Modelica语言编码制定外部函数的来源、参数和描述信息等，若能以图形化的方式进行外部函数编辑，不仅能够提高界面友好性，使软件易于上手，对于不熟悉Modelica语法的使用者来说，还能自动根据用户图形化操作生成Modelica代码，减少工作量。

航天器推进系统动态特性是推进系统的一项重要性能指标，动态特性的好坏直接影响到系统能否正常工作，故对其研究已成为推进系统设计的重要课题。

早期，对推进系统的研究主要采用工程试验方法，工程试验在提高系统性能、安全性、可靠性和经济性等方面存在着一定的局限，例如需要建立整套试验系统，并且物理系统的结构和参数改变比较困难。随着推进系统动态理论研究的不断深化和软件工具在数值分析方面能力的不断提高，现阶段提出了基于模型的动态分析方法，该方法着眼于将推进系统的物理理论转化为数学模型，通过软件工具对数学模型的编译求解分析，模拟推进系统的动态工作过程，可以很好地评估和分析推进系统的动态性能，进而辅助系统的优化设计、试验验证和运行管理，减少系统试验次数和风险、有效的缩短系统研制周期、降低系统研制成本和提高产品性能质量。

在进行基于模型的推进系统动态分析过程中，目前主要采用因果式建模方法（即过程式建模方法）来实现模型的开发。因果式建模方法不仅需要工程师对复杂的推进系统进行解耦，清楚地定义模型的输入输出和方程的求解顺序，而且需要工程师掌握复杂系统模型的编译和求解技术。对于推进系统这样大型的复杂耦合系统，此方法导致建模过程复杂困难，而且所开发的模型重用性、通用性和扩展性低，在模块化、参数化方面不足。在基于模型的推进系统动态分析中，工程师们面临着以上的困难。实现推进系统的非因果建模方法，势必会大大降低建模过程的难度和复杂度，提高模型的重用性和扩展性，为基于模型的推进系统动态分析提供高效的途径。

发明内容

为克服现有技术中基于模型的航天器推进系统动态分析方法中因果式建模方法的不足，本发明提出了一种基于Modelica模型的航天器推进系统动态分析方法，该方法将航天器推进系统建模仿真理论和Modelica技术体系相结合，采用面向对象的陈述式方法构建推进系统的动态模型。本发明的非因果特性使得建模工程师无需对推进系统进行解耦，不指定模型的输入输出变量和方程求解顺序，在求解时仿真系统会根据方程系统数据流环境确定方程求解顺序，这样有效地降低推进系统动态模型构建的难度和复杂度，提高模型的重用性和扩展性。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种基于Modelica模型的航天器推进系统动态分析方法，其包括以下步骤：1）确定模型目标；2）构建概念模型；3）系统分解；4）建立基础模型；5）设计连接器；6）建立组件模型；7）建立介质模型；8）建立系统模型和9）开展仿真分析。

本发明的动态分析方法的设计思路如下：

包含了以下三大部分内容：推进系统模型设计分解、基于Modelica语言的推进系统模型实现以及基于推进系统模型的动态分析方法。

1）推进系统模型设计分解