運載火箭姿態(tài)控制知識管理系統(tǒng)開發(fā)
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摘要：在研制運載火箭的過程中，現(xiàn)有的很多知識沒有得到有效的表示、組織和重用。因此開發(fā)一個知識管理系統(tǒng)實現(xiàn)對運載火箭研制中的知識表示、組織和重用是非常有意義的，可以縮短運載火箭的研制周期。研究了基于本體的運載火箭姿態(tài)控制知識管理系統(tǒng)，提出基于J2EE平臺的運載火箭知識表示、管理和重用的解決方案。整個系統(tǒng)實現(xiàn)對運載火箭姿態(tài)控制系統(tǒng)的本體解析、頻域特性分析和控制器設(shè)計，從而加快研制速度。
關(guān)鍵詞：運載火箭，姿態(tài)控制系統(tǒng)，本體，知識表示
在運載火箭姿態(tài)控制系統(tǒng)的研制過程中，已有的姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計知識尚未得到很好的表示和有效的重用。基于本體［1－3］的運載火箭姿態(tài)控制的知識管理系統(tǒng)，整合了對姿態(tài)控制本體模型的解析、頻域特性分析和控制器設(shè)計，有助于加快研制速度［4－5］。本文給出了這一知識管理系統(tǒng)開發(fā)的一些關(guān)鍵技術(shù)。
1系統(tǒng)總體方案設(shè)計
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)，同時需要建立本體模型，實現(xiàn)對姿態(tài)控制系統(tǒng)知識的表示；搭建數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對頻域特性分析、控制器設(shè)計所涉及到的數(shù)據(jù)進行有效管理。頁面顯示的數(shù)據(jù)來自本體文件和數(shù)據(jù)庫，同時系統(tǒng)中所有的計算結(jié)果都保存到數(shù)據(jù)庫中。用戶通過頁面向服務(wù)器端發(fā)送請求，服務(wù)器在接受請求后進行相應(yīng)業(yè)務(wù)流程處理，包括本體文件解析、數(shù)據(jù)庫訪問、頻域特性分析和控制器設(shè)計。系統(tǒng)主要由三個模塊構(gòu)成：本體模型解析模塊、頻域特性分析模塊和控制器設(shè)計模塊。系統(tǒng)用戶界面采用JSP、HTML技術(shù)開發(fā)，后臺基于SSH框架開發(fā)，數(shù)據(jù)庫采用MYSQL數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)來開發(fā)，服務(wù)器采用APACHETOMCAT7．0。
1．2本體模型建立
為了實現(xiàn)對運載火箭姿態(tài)控制系統(tǒng)方面知識的管理與重用，首先我們分析了整個姿態(tài)控制系統(tǒng)，將里面的知識和關(guān)系屬性抽取出來，基于這些知識和屬性，應(yīng)用PROTEGE軟件建立本體模型，生成OWL文件，實現(xiàn)對運載火箭姿態(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（被控對象）、測量機構(gòu)、控制器（校正網(wǎng)絡(luò)）、伺服機構(gòu)組成。而被控對象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、參數(shù)及其分析方法。
1．3數(shù)據(jù)庫設(shè)計
數(shù)據(jù)庫設(shè)計的過程，就是首先通過設(shè)計可以反映現(xiàn)實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)實用戶服務(wù)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。因此，數(shù)據(jù)庫設(shè)計的基本任務(wù)就是根據(jù)用戶的信息需求和處理需求，根據(jù)數(shù)據(jù)庫的支撐環(huán)境，設(shè)計一個結(jié)構(gòu)合理、使用方便、效率較高的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫設(shè)計要充分考慮數(shù)據(jù)存儲的有效性、穩(wěn)定性及可擴展性。本系統(tǒng)采用的是MySQL數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，設(shè)計時應(yīng)遵循以下原則：1）滿足三范式設(shè)計原則，對數(shù)據(jù)進行解耦，減少數(shù)據(jù)冗余；2）考慮并發(fā)控制，維護數(shù)據(jù)的正確性和一致性，可以利用加鎖機制；3）數(shù)據(jù)庫的操作要保證準確性和完整性。根據(jù)需求分析，設(shè)計實體對象，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)、晃動參數(shù)、振動參數(shù)，并實現(xiàn)對參數(shù)數(shù)據(jù)的解耦。在運載火箭姿態(tài)控制頻域分析階段所需的參數(shù)類別和種類都比較多，可通過建立索引加快數(shù)據(jù)庫的查詢效率；姿態(tài)控制中所用到的數(shù)據(jù)安全級別比較高，為了增加數(shù)據(jù)的安全性，在數(shù)據(jù)庫基表的基礎(chǔ)上建立對應(yīng)視圖，避免直接操作數(shù)據(jù)庫。
2系統(tǒng)實現(xiàn)
2．1SSH框架系統(tǒng)采用
SSH（Spring＋Struts＋Hibernate）框架開發(fā)。SSH框架是目前主流的一種Web開發(fā)框架，用于構(gòu)建靈活、易于擴展的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)持久層和實體層。Struts框架負責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controller層；利用Hibernate框架實現(xiàn)對持久層的操作；Spring作為一個輕量級的IOC容器，負責中間層中的對象創(chuàng)建和管理對象及對象之間的依賴關(guān)系，并且能夠整合Struts2和Hibernate框架，發(fā)揮框架最大的作用當頁面發(fā)出請求后，Struts根據(jù)配置文件（Struts．xml）將ActionServlet接收到的Request請求內(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，用戶通過瀏覽器顯示的用戶界面發(fā)出查詢本體知識請求，ActionServlet將這一請求發(fā)送給Structs，后者依據(jù)配置文件，把這一請求轉(zhuǎn)給本體知識查詢Ac-tion處理；在業(yè)務(wù)層中，管理服務(wù)組件的SpringIoC負責向Action提供本體模型解析Model注入，實現(xiàn)本體解析業(yè)務(wù)邏輯，并返回請求處理結(jié)果至用戶界面。在頻域特性分析模塊和控制器模塊中，調(diào)用對應(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，所需的計算參數(shù)數(shù)據(jù)存放在數(shù)據(jù)庫中，系統(tǒng)通過Hibernate實現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫的交互，獲取數(shù)據(jù)，調(diào)用對應(yīng)的DAO組件請求并返回請求數(shù)據(jù)。
2．2本體模型解析模塊
為了實現(xiàn)對本體文件的解析，利用Apache公司提供的開源Jena工具包自己開發(fā)了一些工具類，實現(xiàn)對本體owl文件連接、查詢、修改等操作，以此來實現(xiàn)對本體owl文件進行解析。在與owl進行交互前，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＿MEM);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)控制知識本體模型文件；ModelFactory是jena工具包提供用來創(chuàng)建各種模型的類，在類中定義了具體實現(xiàn)模型的成員數(shù)據(jù)以及創(chuàng)建模型。當建立連接成功讀取到aco．owl文件后，基于Jena工具包開發(fā)對應(yīng)的工具類就能進行查詢、修改等操作，從而實現(xiàn)本體文件解析。
2．3頻域特性分析模塊
在實際的研制過程中，知識需要與實際開發(fā)結(jié)合起來。通過加入頻域特性分析，能驗證火箭姿態(tài)控制效果是否滿足設(shè)計要求。為了實現(xiàn)在系統(tǒng)中頻域特性分析，在底層采用MATLAB編寫頻域特性分析程序，然后利用MATLAB自帶的BuiltJA實現(xiàn)了從MATLAB文件向Java能調(diào)用的jar文件的轉(zhuǎn)化。同時，為了將頻域特性曲線實時顯示給用戶，應(yīng)用了WebFigures技術(shù)頻域特性分析模塊所涉及的參數(shù)均儲存在MySQL數(shù)據(jù)庫中。
2．4控制器模塊
運載火箭姿態(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)計程序由MATLAB編寫，并用MATLAB自帶的BuiltJA技術(shù)實現(xiàn)代碼的轉(zhuǎn)化（由MATLAB轉(zhuǎn)化為jar），以方便后臺的調(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法滿足系統(tǒng)穩(wěn)定裕度的要求，為此我們設(shè)計了基于本體的控制器參數(shù)推理機。為了實現(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)計經(jīng)驗獲得火箭姿態(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其進行解析。在系統(tǒng)運行過程中，推理機可基于當前頻域特性曲線、箭體參數(shù)、和姿態(tài)控制器設(shè)計推理規(guī)則的本體模型，給出調(diào)整的建議，以此來加快參數(shù)調(diào)整過程。系統(tǒng)在高頻段幅頻為負值，系統(tǒng)達不到穩(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)推理機給出控制器參數(shù)調(diào)整建議，加快調(diào)參過程。
3結(jié)束語
本文研究了運載火箭姿態(tài)控制系統(tǒng)知識的表示、管理和重用。通過基于本體的運載火箭姿態(tài)控制知識管理系統(tǒng)的開發(fā)，實現(xiàn)了對姿態(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)計的整合，加快了研制速度。同時系統(tǒng)功能模塊完整簡潔，交互界面友好，具有高可靠性、可擴展性、易用性等特點，有很好的應(yīng)用價值。
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作者:張盛平 曹欣卉 汪崢 鄭宇 單位:東南大學自動化學院 上海交通大學機械與動力工程學院