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2019全景工博会
控制软件

MATLAB和Simulink在航空航天国防行业的应用(上篇)

  2020年04月29日  

  本文作者:于化龙,MathWorks 中国区航空航天国防行业销售总监

  题目写的很正式,但还是想从一个简单问题开始这个话题。

  MATLAB在全球最大的用户是谁?他用 MATLAB 干什么?

  答案是:洛克希德马丁公司,也就是我们经常提到的世界级的明星国防企业“洛马”。在MATLAB 的用户中,“洛马”几乎一直都是最大的。是不是有些意外,MATLAB,一个数学仿真软件,一个大学里几乎人人都会用的软件,她的最大商业用户居然是设计了 F35 的“洛马”。是的,MATLAB 在“洛马”公司有着非常广泛和深入的应用,而且 MATLAB 排在前几名的商业用户几乎都是航空航天国防企业,世界排名前十的航空航天国防企业(如:波音、雷神等)也全都是 MATLAB 的用户,商业航天蓝色起源已经是 MATLAB 的企业级用户。那这样看来,MATLAB 也许并不是我们通常认知的通用数学仿真软件,MATLAB 在航空航天国防领域到底有着怎样的应用,洛克希德马丁公司又是怎样将MATLAB应用到他的产品设计中的呢?

总结一下MATLAB和Simulink在洛克希德马丁公司的应用现状:

  ●MATLAB和Simulink已经应用于“洛马”公司产品设计流程的各个阶段,从需求分析、系统设计、代码生成到分系统测试和最终的系统同集成测试。
  ●从公开的案例来看,“洛马”采用MATLAB和Simulink研制开放的系统包括战斗机飞行控制系统,航天器导航制导与控制系统,卫星通信系统,飞船电力系统,预测性维护系统等等。
  ●“洛马”公司采用MATLAB和Simulink工具链,构建了一套完整的基于模型的设计体系,包括基于模型的设计流程,模型设计规范及其自动检查项,高安全代码生成配置项,专业算法和对象模型库等等。
  ●MATLAB和Simulink已经成为“洛马”公司的基础研发平台,在航空和航天多个领域都有应用,也是技术创新和研发的必备工具。

  无图无真相,放两个洛克希德马丁MATLAB和Simulink的典型应用案例:

Lockheed Martin洛克希德马丁公司建立离散事件模型来预测F-35机队性能

Lockheed Martin 洛克希德马丁公司使用多域电力系统模型仿真猎户座飞船任务

进入正题,MATLAB 和 Simulink 在航空航天国防行业的应用。

  了解在一个行业的应用,首先要了解MATLAB和Simulink的功能,一张图说明问题,并牢记三个关键词:CDA,SPC,LTC。这是MathWorks产品体系的三驾马车,也是MATLAB和Simulink的三个主业:控制设计和自动化,信号处理和通信,计算技术的语言(大数据和人工智能)。

  ●国防行业中,做控制的(不管啥控制),做雷达的,做图像识别的,做无人机的,做预测性维护的,做啥啥啥的,总之都用的到吧!— 编者
  ●千万别忽视MATLAB 本身就是编程语言的特性,静静想想什么仿真软件还自带开发语言的?基于 M 语言,工程师完全可以开发出自己的工业APP!(留个伏笔,待续:)— 编者

  下面这个关键词就更加的重要,MBD(Model Based Design),基于模型的设计是航空航天国防行业广泛采用的设计模式,这里只做简要说明,四句话了解MBD 的核心思想。

  ●可执行的需求描述。
  ●通过仿真进行迭代设计。
  ●自动代码生成。
  ●持续的测试与验证。

  MBD的核心是模型,这里所讲的自然不是三维结构模型,也不是有限元模型,而是Simulink模型。这里Simulink模型是SystemComposer+Simulink+Stateflow+SimEvent+SimScape这五种模型的统称,分别代表了系统设计中的架构模型,动态模型,逻辑模型,离散模型和物理模型。在统一的模型设计环境下,可以实现从系统架构模型到系统实现模型的传递,并涵盖的系统描述的各个层面,实现多域模型的设计和集成仿真。

  MBD的价值是从模型设计到代码实现的自动化,有效提高产品开放的效率。以及持续的测试验证,特别是模型的早期验证,可以大大提高产品设计的质量。

  “基于模型的设计使我们对系统的功能设计有了更高的可见度。我们还比以前更早地完成了需求验证,并仿真了多个同时发生的组件故障,因此我们知道会发生什么,并对控制逻辑有信心来处理异常。“—Christopher Slack,Airbus

  再次进入正题,MATLAB和Simulink在航空航天国防行业的应用。

  我想从三角度探讨这个话题,MATLAB和Simulink应用领域的视角,具体客户技术专业的视角,国防细分行业的视角。

  MATLAB和Simulink在航空航天国防行业的应用领域(重点来了:-)

  上面已经提到,世界上很多航空航天国防公司都在使用MATLAB和Simulink,从原型设计到最重要的高安全和任务关键系统,几乎覆盖了所有的航空航天国防产品及其技术开发流程。MATLAB和Simulink被用于航空航天国防各个领域的重点项目,如F-35联合攻击战斗机和火星探测车等,并且在很多新技术领域帮助企业加速研究和开发的效率,自主系统,高超声速飞行器,先进无线系统,以及混合动力和电动飞机等领域。

  数字化工程采用基于模型的设计,可以在性能、时序和系统集成等多个层面通过早期模型设计仿真和自动代码生成来减少项目实施的风险。Simulink中的系统工程应用可以在统一的环境中建立数据流,提供需求、架构、设计、自动生成的代码和测试之间的可跟踪性。这确保了设计的完整性,并且简化了复杂系统设计中的变更管理,最终要的是所有这些工作都是在相同的开发环境中进行的。

  在人工智能领域,科学家和工程师可以使用MATLAB和Simulink开发人工智能解决方案,进行早期预测系统和决策系统的研发。开发团队可以使用MATLAB和Simulink整合各种数据源,并加快机器学习、深度学习和数据科学算法的实现,甚至可以将其人工智能的应用程序部署到硬件或云中。

  MATLAB的应用领域为什么这么广泛?仔细思考下当今最流行的高科技,比如全电飞机,自动驾驶,人工智能,无线通信,图像识别等等,这些科技的基础都来源于数学(是不是有些后悔大学里没有学好数学)。那就不难理解了,MATLAB作为“MatrixLaboratory”的代言人,既是先进的仿真软件,又是数学编程语言,在加上基于MATLAB的众多工业应用APP的加持(比如大家熟知的控制算法优化APP,六自由度飞机航空APP等),广泛应用于航空航天国防这个高科技的Leading领域也就顺理成章了。—编者

  MATLAB和Simulink已经不再是传统意义上的仿真软件,而是建立在MATLAB和Simulink基础框架之下的工业应用平台,各种专业的工业应用APP集成在统一的框架下,真正站在工程师的角度解决工程师的具体问题,这才是MATLAB和Simulink工业应用APP的价值所在。

  既然说了这里是本文的重点,那就在下一期中对MATLAB和Simulink工业应用平台在航空航天国防的几大应用领域再做一点展开。

  系统工程
  飞行和发动机控制
  无人机设计
  无线系统
  人工智能
  ...
  且听下回分解!

标签:MATLAB Simulink我要反馈
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