运载火箭姿态控制知识管理系统开发

摘要：在研制运载火箭的过程中，现有的很多知识没有得到有效的表示、组织和重用。因此开发一个知识管理系统实现对运载火箭研制中的知识表示、组织和重用是非常有意义的，可以缩短运载火箭的研制周期。研究了基于本体的运载火箭姿态控制知识管理系统，提出基于J2EE平台的运载火箭知识表示、管理和重用的解决方案。整个系统实现对运载火箭姿态控制系统的本体解析、频域特性分析和控制器设计，从而加快研制速度。

关键词：运载火箭，姿态控制系统，本体，知识表示

在运载火箭姿态控制系统的研制过程中，已有的姿态控制系统设计知识尚未得到很好的表示和有效的重用。基于本体［1－3］的运载火箭姿态控制的知识管理系统，整合了对姿态控制本体模型的解析、频域特性分析和控制器设计，有助于加快研制速度［4－5］。本文给出了这一知识管理系统开发的一些关键技术。

1.系统总体方案设计

1．1系统结构

本系统的业务处理集中在服务端，所以系统主体采用B／S架构，同时需要建立本体模型，实现对姿态控制系统知识的表示；搭建数据库，实现对频域特性分析、控制器设计所涉及到的数据进行有效管理。页面显示的数据来自本体❧文件和数据库，同时系统中所有的计算结果都保存到数据库中。用户通过页面向服务器端发送请求，服务器在接受请求后进行相应业务流程处理，包括本体文件解析、数据库访问、频域特性分析和控制器设计。系统主要由三个模块构成：本体模型解析模块、频域特性分析模块和控制器设计模块。系统用户界面采用JSP、HTML技术开发，后台基于SSH框架开发，数据库采用MYSQL数据库管理系统来开发，服务器采用APACHETOMCAT7．0。

1．2本体模型建立

为了实现对运载火箭姿态控制系统方面知识的管理与重用，首先我们分析了整个姿态控制系统，将里面的知识和关系属性抽取出来，基于这些知识和属性，应用PROTEGE软件建立本体模型，生成OWL文件，实现对运载火箭姿态控制系统本体建模。其中火箭姿态控制系统本体结构主要由箭体（被控对象）、测量机构、控制器（校正网络）、伺服机构组成。而被控对象的知识主要包括俯仰通道、滚动通道和偏航通道的动力学方程、参数及其分析方法。

1．3数据库设计

数据库设计的过程，就是首先通过设计可以反映现实世界信息需求的概念数据模型，然后将其转换成逻辑模型和物理模型，最终建立为现实用户服务的数据库系统。因此，数据库设计的基本任务就是根据用户的信息需求和处理需求，根据数据库的支撑环境，设计一个结构合理、使用方便、效率较高的数据库系统。数据库设计要充分考虑数据存储的有效性、稳定性及可扩展性。本系统采用的是MySQL数据库管理系统，设计时应遵循以下原则：1）满足三范式设计原则，对数据进行解耦，减少数据冗余；2）考虑并发控制，维护数据的正确性和一致性，可以利用加锁机制；3）数据库的操作要保证准确性和完整性。根据需求分析，设计实体对象，主要是火箭姿态控制各环节中不同的参数数据，包括：初始条件设置参数、刚体参数、晃动参数、振动参数，并实现对参数数据的解耦。在运载火箭姿态控制频域分析阶段所需的参数类别和种类都比较多，可通过建立索引加快数据库的查询效率；姿态控制中所用到的数据安全级别比较高，为了增加数据的安全性，在数据库基表的基础上建¢立对应视图，避免直接操作数据库。

2.系统实现

2．1SSH框架系统采用

SSH（Spring＋Struts＋Hibernate）框架开发。SSH框架是目前主流的一种Web开发框架，用于构建灵活、易于扩展的Web应用程序。SSH框架的系统主要分为四层：表示层、业务逻辑层、数据持久层和实体层。Struts框架负责MVC（Model，ViewandController）的分离，控制业务跳转和结果转发，充当controller层；利用Hibernate框架实现对持久层的操作；Spring作为一个轻量级的IOC容器，负责中间层中的对象创建和管理对象及对象之间的依赖关系，并且能够整合Struts2和Hibernate框架，发挥框架最大的作用当页面发出请求后，Struts根据配置文件（Struts．xml）将ActionServlet接收到的Request请求内容转发给相应的Ac-tion处理。在本体模型解析模块中，用户通过浏览器显示的用户界面发出查询本体知识请求，ActionServlet将这一请求发送给Structs，后者依据配置文件，把这一请求转给本体知识查询Ac-tion处理；在业务层中，管理服务组件的SpringIoC负责向Action提供本体模型解析Model注入，实现本体解析业务逻辑，并返回请求处理结果至用户界面。在频域特性分析模块和控制器模块中，调用对应Action与相应Model注入与本体模型解析模块业务流程一样，所需的计算参数数据存放在数据库中，系统通过Hibernate实现与数据库的交互，获取数据，调用对应的DAO组件请求并返回请求数据。

2．2本体模型解析模块

为了实现对本体文件的解析，利用Apache公司提供的开源Jena工具包自己开发了一些工具类，实现对本体owl文件连接、查询、修改等操作，以此来实现对本体owl文件进行解析。在与owl进行交互前，需要利用Jena中的model包中的Mod-elFactory创建本体模型并读取owl本体文件，局部代码如下：OntModelontModel＝ModelFactory．createOntologyModel;ontModel．read;aco．owl为我们利用Protege软件建立的火箭姿态控制知识本体模型文件；ModelFactory是jena工具包提供用来创建各种模型的类，在类中定义了具体实现模型的成员数据以及创建模型。当建立连接成功读取到aco．owl文件后，基于Jena工具包开发对应的工具类就能进行查询、修改等操作，从而实现本体文件解析。

2．3频域特性分析模块

在实际的研制过程中，知识需要与实际开发结合起来。通过加入频域特性分析，能验证火箭姿态控制效果是否满足设计要求。为了实现在系统中频域特性分析，在底层采用MATLAB编写频域特性分析程序，然后利用MATLAB自带的BuiltJA实现了从MATLAB文件向Java能调用的jar文件的转化。同时，为了将频域特性曲线实时显示给用户，应用了WebFigures技术频域特性分析模块所涉及的参数均储存在MySQL数据库中。

2．4控制器模块

运载火箭姿态控制系统控制器通常由一阶微分环节、惯性环节、振荡环节和二阶微分环节组成。位于底层的控制器设计程序由MATLAB编写，并用MATLAB自带的BuiltJA技术实现代码的转化（由MATLAB转化为jar），以方便后台的调用。在给出一套控制器参数后，得到的频域特性曲ป线可能无法满足系统稳定裕度的要求，为此我们设计了基于本体的控制器参数推理机。为了实现控制器参数推理，首先基于经典控制理论和工程设计经验获得火箭姿态控制器参数调整规则，并建立这些规则的本体模型；在Protégé环境下实现这些规则的本体模型，生成其owl文件，并可由本体模型解析模块对其进行解析。在系统运行过程中，推理机可基于当前频域特性曲线、箭体参数、和姿态控制器设计推理规则的本体模型，给出调整的建议，以此来加快参数调整过程。系统在高频段幅频为负值，系统达不到稳定裕度要求，需要调整控制器参数，基于本体的控制器参数推理机给出控制器参数调整建议，加快调参过程。

3.结束语✯

本文研究了运载火箭姿态控制系统知识的表示、管理和重用。通过基于本体的运载火箭姿态控制知识管理系统的开发，实现了对姿态控制系统的本体建模、本体解析、频域特性分析和控制器设计的整合，加快了研制速度。同时系统ツ功能模块完整简洁，交互界面友好，具有高可靠性、可扩展性、易用性等特点，有很好的应用价值。

参考文献

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