運載火箭姿態(tài)控制知識管理系統開(kāi)發(fā)論文
在運載火箭姿態(tài)控制系統的研制過(guò)程中，已有的姿態(tài)控制系統設計知識尚未得到很好的表示和有效的重用�；诒倔w［1－3］的運載火箭姿態(tài)控制的知識管理系統，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開(kāi)發(fā)的一些關(guān)鍵技術(shù)。
1系統總體方案設計
1．1系統結構
本系統的業(yè)務(wù)處理集中在服務(wù)端，所以系統主體采用B／S架構，同時(shí)需要建立本體模型，實(shí)現對姿態(tài)控制系統知識的表示；搭建數據庫，實(shí)現對頻域特性分析、控制器設計所涉及到的數據進(jìn)行有效管理。頁(yè)面顯示的數據來(lái)自本體文件和數據庫，同時(shí)系統中所有的計算結果都保存到數據庫中。用戶(hù)通過(guò)頁(yè)面向服務(wù)器端發(fā)送請求，服務(wù)器在接受請求后進(jìn)行相應業(yè)務(wù)流程處理，包括本體文件解析、數據庫訪(fǎng)問(wèn)、頻域特性分析和控制器設計。系統主要由三個(gè)模塊構成：本體模型解析模塊、頻域特性分析模塊和控制器設計模塊。系統用戶(hù)界面采用JSP、HTML技術(shù)開(kāi)發(fā)，后臺基于SSH框架開(kāi)發(fā)，數據庫采用MYSQL數據庫管理系統來(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)現對運載火箭姿態(tài)控制系統方面知識的管理與重用，首先我們分析了整個(gè)姿態(tài)控制系統，將里面的知識和關(guān)系屬性抽取出來(lái)，基于這些知識和屬性，應用PROTEGE軟件建立本體模型，生成OWL文件，實(shí)現對運載火箭姿態(tài)控制系統本體建模。其中火箭姿態(tài)控制系統本體結構主要由箭體（被控對象）、測量機構、控制器（校正網(wǎng)絡(luò )）、伺服機構組成。而被控對象的知識主要包括俯仰通道、滾動(dòng)通道和偏航通道的動(dòng)力學(xué)方程、參數及其分析方法。
1．3數據庫設計
數據庫設計的過(guò)程，就是首先通過(guò)設計可以反映現實(shí)世界信息需求的概念數據模型，然后將其轉換成邏輯模型和物理模型，最終建立為現實(shí)用戶(hù)服務(wù)的數據庫系統。因此，數據庫設計的基本任務(wù)就是根據用戶(hù)的信息需求和處理需求，根據數據庫的支撐環(huán)境，設計一個(gè)結構合理、使用方便、效率較高的數據庫系統。數據庫設計要充分考慮數據存儲的有效性、穩定性及可擴展性。本系統采用的是MySQL數據庫管理系統，設計時(shí)應遵循以下原則：
1）滿(mǎn)足三范式設計原則，對數據進(jìn)行解耦，減少數據冗余；
2）考慮并發(fā)控制，維護數據的正確性和一致性，可以利用加鎖機制；
3）數據庫的操作要保證準確性和完整性。根據需求分析，設計實(shí)體對象，主要是火箭姿態(tài)控制各環(huán)節中不同的參數數據，包括：初始條件設置參數、剛體參數、晃動(dòng)參數、振動(dòng)參數，并實(shí)現對參數數據的解耦。在運載火箭姿態(tài)控制頻域分析階段所需的參數類(lèi)別和種類(lèi)都比較多，可通過(guò)建立索引加快數據庫的查詢(xún)效率；姿態(tài)控制中所用到的數據安全級別比較高，為了增加數據的安全性，在數據庫基表的基礎上建立對應視圖，避免直接操作數據庫。
2系統實(shí)現
2．1SSH框架系統采用
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，用于構建靈活、易于擴展的Web應用程序。SSH框架的系統主要分為四層：表示層、業(yè)務(wù)邏輯層、數據持久層和實(shí)體層。Struts框架負責MVC（Model，ViewandController）的分離，控制業(yè)務(wù)跳轉和結果轉發(fā)，充當controller層；利用Hibernate框架實(shí)現對持久層的操作；Spring作為一個(gè)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(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頁(yè)面發(fā)出請求后，Struts根據配置文件（Struts．xml）將ActionServlet接收到的Request請求內容轉發(fā)給相應的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)本體知識請求，ActionServlet將這一請求發(fā)送給Structs，后者依據配置文件，把這一請求轉給本體知識查詢(xún)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(shí)現本體解析業(yè)務(wù)邏輯，并返回請求處理結果至用戶(hù)界面。在頻域特性分析模塊和控制器模塊中，調用對應Action與相應Model注入與本體模型解析模塊業(yè)務(wù)流程一樣，所需的計算參數數據存放在數據庫中，系統通過(guò)Hibernate實(shí)現與數據庫的交互，獲取數據，調用對應的DAO組件請求并返回請求數據。
2．2本體模型解析模塊
為了實(shí)現對本體文件的解析，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)現對本體owl文件連接、查詢(xún)、修改等操作，以此來(lái)實(shí)現對本體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)現模型的成員數據以及創(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(kāi)發(fā)對應的工具類(lèi)就能進(jìn)行查詢(xún)、修改等操作，從而實(shí)現本體文件解析。
2．3頻域特性分析模塊
在實(shí)際的研制過(guò)程中，知識需要與實(shí)際開(kāi)發(fā)結合起來(lái)。通過(guò)加入頻域特性分析，能驗證火箭姿態(tài)控制效果是否滿(mǎn)足設計要求。為了實(shí)現在系統中頻域特性分析，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)現了從MATLAB文件向Java能調用的jar文件的轉化。同時(shí)，為了將頻域特性曲線(xiàn)實(shí)時(shí)顯示給用戶(hù)，應用了WebFigures技術(shù)頻域特性分析模塊所涉及的參數均儲存在MySQL數據庫中。
2．4控制器模塊
運載火箭姿態(tài)控制系統控制器通常由一階微分環(huán)節、慣性環(huán)節、振蕩環(huán)節和二階微分環(huán)節組成。位于底層的控制器設計程序由MATLAB編寫(xiě)，并用MATLAB自帶的BuiltJA技術(shù)實(shí)現代碼的轉化（由MATLAB轉化為jar），以方便后臺的調用。在給出一套控制器參數后，得到的頻域特性曲線(xiàn)可能無(wú)法滿(mǎn)足系統穩定裕度的要求，為此我們設計了基于本體的控制器參數推理機。為了實(shí)現控制器參數推理，首先基于經(jīng)典控制理論和工程設計經(jīng)驗獲得火箭姿態(tài)控制器參數調整規則，并建立這些規則的本體模型；在Protégé環(huán)境下實(shí)現這些規則的本體模型，生成其owl文件，并可由本體模型解析模塊對其進(jìn)行解析。在系統運行過(guò)程中，推理機可基于當前頻域特性曲線(xiàn)、箭體參數、和姿態(tài)控制器設計推理規則的本體模型，給出調整的建議，以此來(lái)加快參數調整過(guò)程。系統在高頻段幅頻為負值，系統達不到穩定裕度要求，需要調整控制器參數，基于本體的控制器參數推理機給出控制器參數調整建議，加快調參過(guò)程。
3結束語(yǔ)
本文研究了運載火箭姿態(tài)控制系統知識的表示、管理和重用。通過(guò)基于本體的運載火箭姿態(tài)控制知識管理系統的開(kāi)發(fā)，實(shí)現了對姿態(tài)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，加快了研制速度。同時(shí)系統功能模塊完整簡(jiǎn)潔，交互界面友好，具有高可靠性、可擴展性、易用性等特點(diǎn)，有很好的應用價(jià)值。
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