数字化转型提升航天姿控研制效率
数字化工具，让复杂变简单，让工作更高效。为顺应数字化发展趋势，在航天一院12所“飞天团队”姿控组，一场关于“数字化转型”的改革正在如火如荼地开展。“姿控频域设计目的是选择合适的增益和校正网络，让整个闭环系统具有足够的稳定裕度和较好的动态响应品质，但是这个过程需要我们的设计人员对基本环节的特性和组合特性能够熟练掌握，整个设计过程非常依赖工程师的个人经验，这样对我们新入职的员工来说很难短时间上手，是不是可以开发出一款工具，能够让软件代替我们人去设计？”2021年的某天下午，在姿控组的一次讨论会上，数字化团队负责人黄聪提出了这样的想法。有想法就要有行动，姿控组立刻开展组内调研，对组内各个年龄层的工程师一对一谈话交流。“像我还没有参与过完整的频域设计，要是有这个工具，我就可以以工具的设计结果作为参考，能够帮我很快地开展工作。”作为入职刚满一年的新人，笔者如是说。“这样的工具确实挺需要的，比如我设计完这个网络，有些频点感觉还是能把裕度提高下，但是要微调好几个环节，需要反复的调试，要是能在这个工具中嵌入优化的功能就更好了。”已经工作10年的设计师潘豪说。在充分进行了调研和可行性分析后，姿控组将这个想法汇报给科室领导，领导表示，“没有趁手的工具可不行！”在科室的支持下，一款“通用化的姿控系统参数自动化设计工具”的研发工作就这么迅速的开展起来了。姿控组在2021年起从算法角度提升工具优化效率，对标准的PSO（粒子群算法）进行改进，通过使用更适合姿控参数生成问题的选择、交叉、变异等随机性策略，使姿控参数智能化设计算法具备更强地跳出局部最优的能力，更高效地获得全局最优解。使用两种不同的改进方法改变算法在迭代过程中解的生成策略，初步实现了某新一代运载火箭芯一级飞行段在不需要初值状态下的姿控参数自动优化设计，实现了优化效率的显著提升。同时，针对多秒点多状态传函优化设计用例，通过采用循环分步骤自动生成策略，首先对传函中比较难优化成功的传递函数首先优化设计，将设计结果作为初值，在此基础上再优化所有传函，最终实现所有传函的自动优化设计。在完成基本功能的开发后，姿控组结合设计师对软件使用需求和软件设计标准，并请组内主任专业师把关，对前端软件界面进行了详细的需求分析，比如怎样设计操作设置界面能够更简洁有序便于操作，哪些参数需要设置成自主选择参数供设计师选择，界面的交互信息如何编写更简明扼要等等，力求给设计师们带来最大限度的便利。姿控组经过将近一年半的研发攻关，“通用化的姿控系统参数自动化设计工具”终于初具雏形，接下来就是大量的测试验证工作。在测试验证过程中发现解决了诸多问题：MATLAB（数学软件）的c2dm 和dbode（内置函数）对离散后网络小数位数保留是小数点后16位，当优化校正网络阶数过高时，会存在明显的精度丢失问题，于是班组成员将阶次较高的校正网络拆分成几个较小的校正网络组合，提高了网络精度；在优化过程中发现有些优化结果总是不符合预期现象，班组成员经过大量调试工作发现是由于幅值和相位的单位不相同，使迭代算法在优化过程中只考虑幅值或者只考虑相位，导致结果不理想，通过增加 dB （分贝）转换率功能设置，并在后台算法中进行归一化处理，实现了幅值与相位的有效映射；部分设计师提出在开展姿控参数设计过程中，校正网络中需要包含积分环节，班组成员通过完善源程序按照设计师需求进行定制化修改，实现了支持加入积分环节的功能……2024年，这款“通用化的姿控系统参数自动化设计工具”已经在姿控组内推广，班组成员编写了详细的使用手册，并组织了多次工具使用方法的培训。采用优化工具软件进行姿控参数设计时，设计效率相较于人工设计有了明显提升，设计结果的性能与设计师设计结果相比，基本处于相当或更优水平，以14个型号姿控设计对工具软件进行测试验证，平均每轮姿控设计共计可释放设计师工作时长每人315小时，设计效率平均提升98.8%，工具软件大规模推广应用后，每年能够释放节省约1人~2人次人员精力。这款通用化姿控参数设计工具显著提升了姿控专业设计能力，有力提升了姿控系统研制效率，支撑了智能技术的落地与姿控专业的发展。工欲善其事，必先利其器。姿控组必须握有辅以提升效率的利器，航天项目才能更快地完成技术迭代，推动航天事业的高质量发展。
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