（飞行器设计专业论文）k8e飞机操纵系统传动比分配与系统仿真软件.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 中文摘要 飞机操纵系统设计是飞机设计工程的个重要组成部分。它关系到飞机的操纵 性、安定性和跟随性，不仅与气动特性、惯性动态特性有关，还与舵面参数、铰链力 矩和刚度有关。操纵系统的传动比是重要的设计参数之一，它牵涉到杆位移与舵面偏 转的相对关系，是系统设计所有后续工作的基础。 本课题以我院与江西洪都航空工业股份有限公司第6 5 0 所签订的“k 8 e 飞机操纵 系统传动比分配与系统仿真软件”合同为背景，在u n i g r a p h i t s 下进行二次开发以建 立一参数化的、通用的飞机操纵系统设计平台，从而将工程设计、物理实现和干涉检 查的全过程移植到微机上。课题最终顺利通过了国防科工委的科技成果鉴定。 本课题的开发采取了软件工程与传统的飞机工程设计紧密结合的方式： l 1 按照软件工程进行了需求分析、总体设计和详细设计，利用i d e f 的规则和方 法制定了功能模型和数据模型。 2 采取面向对象的方法完成了飞机操纵系统设计平台的开发。本文对设计过程中 涉及的计算进行了研究，在对实际的操纵系统传动单元进行分类的基础上，规 划出每一类结构的数据结构和计算方法，从而实现整体传动比的设计和分配。 3 最后以k 8 e 副翼操纵系统为例，按用户提供的数据进行了系统实现， 与实际情况相吻合，己为甲方验收，从而验证了本文的研究成果。 关键词：飞机设计操纵系统传动比软件工程开发 设计结果 一 、一了 厂礅 k s e 飞机操纵系统传动比分配与系统仿真软件 a b s t r a c t a i r c r a f tc o n t r o l s y s t e md e s i g ni sav e r yi m p o r t a n ts e 鲫e n ti na i r o r a f td e s i g n e n g i n e e r i n g t r a d i t i o n a l l yi t i sa c c o m p l i s h e db yt h ew a yo fk i n e t i c sd e s i g n ，w h i c h d e m a n d sg r e a tm a n p o w e ra n dm a t e r i a lr e s o u r c e s t r a n s m i s s i o nr a t i oist h o u g h to fa s t h em o s t i m p o r t a n tp a r a m e t e r b e c a u s eiti n v o i y e sr e l a t i o n s h i d sb e t w e e nc o n t r o i m o v e m e n t ，f o r c ea n dc o n t r o ls u r f a c em o t i o n ，a n dc o n s t i t u t e st h ef o u n d a t i o no fs e q u e n t w o r k o nt h eb a s i so ft h ec o n t r a c ts i g n e db ya e r o s p a c ec 0 1 l e g ea n d6 5 0i n s t i t u t eo f j i a n g x ih o n g d ua v i a t i o nc o l t d ，t h er e s e a r c hw a sa c c o m p l i s h e dw i t hap r o f e s s i o n a l p l a t f o r mo fa i r c r a f tc o n t r 0 1s y s t e md e s i g nb yu n i g r a p h i e ss e c o n d a r yd e v e l o p m e n t i n t h l s w a y ，t h ep r o c e s s ，f r o me n g i n e e r i n g d e s i g n t o p h i s i c a l r e a l i z a t i o na n d i n t e r f e r e n c ee x a m i n a t i o n h a sb e e ni n n i g r a t e d t oc o m p u t e r ss u c c e s s f u l l y t h i sp a p e rc o m b i n e ds o f t w a r ee n g i n e e r i n gw i t ht r a d i t i o n a lc o n t r o ls y s t e md e s i g n ， a n dp u tf o r w a r ds u c ht h e s i s ： 1 s e tu pd e m a n d sa n a l y s i s ，a n de s t a b l i s h e df u n c t i o nm o d e la sw e l la sd a t am o d e l a c c o r d i n gt or u l e so fi d e f ( i n t e g r a t e dd e f i n i t i o n ) ： 2 d e v e l o p e dt h ep l a t f o r mb yo 0m e t h o d a f t e rc l a s s i f y i n g a c t u a lc o n t r o ls y s t e m i n t os e v e r a lu n i t sa n dc o n c e i r i n ge a c hd a t as t r u c t u r ea n dc o m p u t a t i o np r o g r a m t h ep a p e re x p a t i a t e do nc o m p u t a t i o no fe a c hu n i t ，t h u sr e a l i z e dt r a n s m i s s i o n r a t i od e s i g n0 ft h ew h o l ec o n t r 0 1s y s t e m 3 t a k i n gk 8 ea il e r o nc o n t r o ls y s t e ma s a ne x a m p l e ，t h ep l a t f o r mw a sa c c e p t e d w i t hr e s u l t sn e a rt oa c t u a ls y s t e m k e y o r d s ：a i r c r a f t ，c o n t r o ls y s t e md e s i g n ，t r a n s m i s s i o n r a t i o ，s o f te n g i n e e r i n g u g ，s e c o n d a r yd e v e l o p m e n t 2 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景 1 1 1 国内飞机操纵系统设计现状 飞机操纵系统的设计是一个相当复杂的过程设计是否合理通常借助运动协调| 生 检查来进行。传统意义上的运动协调性检查一般采用实体模拟方法，投资大、周期长 而且复用性差。实体模拟方法带来的问题不同程度的体现在我国自行研制的几个新机 型的操纵系统设计过程中。 传动比作为操纵系统的重要参数，它的设计与分配是操纵系统设计所有后续工作 的基础。以往画运动模线的设计方法不仅效率低、误差大，而且作为平面方法难以精 确的解决空间问题。因此，在常规的设计方法基础上通过解析法利用计算机的运算功 能，对系统的零件进行参数化设计并实现预装配，可以减少生产反复，加快飞机设计 的总体进度。 采用计算机对操纵系统的设计进行处理和仿真具有以下明显优点： 1 计算精度高，结果可靠： 2 ，计算速度快，节省设计时间； 3 便于系统进行局部更改； 4 能准确的模拟操纵系统各零部件的运动情况及位置，对操纵系统进行仿真以 避免产生干涉。 1 1 2 通用c a d 软件现状 c a d 软件经过4 0 年多的发展己得到了广泛应用，并形成了一个庞大的产业。c a d 软件可分为： 1 高端( c a d d s 5 ，u gi i ，c a t i a ) ，主要应用在航空航天、船舶、汽车等领域： 2 中端( p r o e ，i - d e a s ，s o l i d e d g e ，s o l i d w o r k s 等) ，主要应用在机械加工等领 域； 3 低端( a u t o c a d 等) ，主要应用在建筑以及一般机械加工等领域。 在通用c a d ，c a e 等环境下开发集成专用软件已成为c a d 软件的重要发展方向之一。 目前，国内c a d 软件多为引进系统，自主开发版本少，用户规模小，但二次开发的需 求量较大。过去在建筑等行业中的成功实例较多，但都是针对中低端软件的二次开发， 高端软件的开发很少，这主要是因为高端系统功能强大，通用性强，十分庞大的开发 系统使得其开发起点高，人员少，可借鉴的经验也较少。 k s e 飞机操纵系统传动比分配与系统仿真软件 1 2 课题的来源 1 2 1 飞机操纵系统设计的一般过程 飞机操纵系统设计是一个包含多学科领域知识的工程设计过程涉及飞机结构与 强度、电子技术、计算机技术及制造工艺等多学科和专业技术领域。由于飞机操纵系 统结构复杂，各方面要求也非常多，再加上工程设计往往都是反求问题，因此飞机操 纵系统设计是一个反复迭代、逐步求精的过程，在这个过程中还必须对各专业子系统 进行综合和协调以保证整个系统最优。按工作内容的粗细程度和大致顺序该设计过程 可分为三个阶段：概念性设计( c m c e p t u a | d e s i g n ) 、初步设计( p r e li m i n a r yd e s i g n ) 和详细设计( o e t a i ld e s i g n ) 。这三个阶段之间并不是相互独立的，而是存在着内在 的联系在时间进度和工作内容上有交叉部分“1 。 概念性设计阶段主要是根据设计要求形成一个或几个设计方案。其具体内容包 括：选定系统布局形式：进行初步性能估算；绘制粗略的三面图。由于这一部分工作 基本上不需要做实验，因此可以采用计算机进行辅助设计，多准备几个设计方案，经 过充分论证后选择一个具有先进性和可行性的理想方案作为后续阶段设计的基础。因 为设计过程中具有全局性影响的决策大部分都是在这一阶段做出的，因此这一阶段的 工作在整个设计过程中是最重要的一个阶段。 初步设计阶段应对概念性设计所形成的初步设计方案进行补充和修改，使其进一 步明确和具体。这一阶段的工作内容包括：确定系统布局，绘制出完整、精确的三面 图和理论外形图；全面安排各种结构和机构等。 详细设计阶段主要是进行飞机结构设计，包括部件设计、零件设计和运动协调性 分析，直至绘制出系统各部件的装配图、零件图和详细的重量计算以及结构强度计算 报告。 1 2 2i j g 简介 u n i g r a p h i c s 是一个优秀的工业设计软件系统“1 ，包括有灵活的复合建模模块以 及功能强大的逼真照相、动画和快速的成型工具易于使用，也易于与其它的系统进 行集成和二次开发。其优点有： l 包含有一个功能强大的编程框架，使客户和软件供应商能够开发与u g 很好集 成和完全相关的应用程序。 2 能够实现c a d c a m c a e 与p d m ( 产品数据管理) 的集成。 3 可以对产品的开发进行虚拟评估。 本课题主要应用u g 的建模和二次开发等功能，具体为： l - u g g a t e w a y ( 入口) 南京航空航天大学硕士学位论文 提供一个u n i g r a p h i c s 基座，u g g a t e w a y 在一个易于使用的基于m o t i f 环境中形 成连接所有u g 模块的底层结构，它支持关键操作，包括打开已存的u g 部件文件 建立新的部件文件，工程图和屏幕布局以及读入和写出c g m ，构造和管理零件家族， 操纵部件间表达式等。 2 u g s o l i dm o d e l i n g ( 实体建模) ( 对传统数据的恢复和参数化模拟) u g s o l i dm o d e l i n g 无缝的集成基于约束的特征建模和 l 显式几何建模，用户可以取得集成于一个高级的基于特征 l 环境内的传统实体，能够方便地建立二维和三维线框模型， 扫描和旋转实体，布尔运算及进行参数化编辑。u g s o l i d m o d e l i n g 是对u g f e a t u r e sm o d e l i n g 和u g f r e e f o r m m o d e l i n g 两者的必要条件。 u g f e a t u r e sm o d e l i n g ( 特征建模) 这个模块是集成在一个高级的基于特征环境下的曲面 和线框建模。它提高了表达式的级别，因而设计可以在工 程特征的意义中来定义，提供对建立和编辑标准设计特征 的支持，包括几种变形的键槽、型腔、凸垫、锥、倒圆等， 也包括实体模型控空和建立薄壁对象，并且已经存贮在一 共同目录中的用户定义特征也可以添加到设计模型上。 u g u s e r - d e f i n e df e a t u r e s ( 用户定义的特征) 这个模块提供一种交互方法，使用一用户定义特征( u d f ) 的概念去捕捉和存贮部件家族，模块包括对一个已存参数 化实体模型，定义特征变量，建立参数间关系，设置缺省 值。u d f 在建立时驻留在一个由任一设计员利用模块可以 存取的目录中，在一个u d f 被加到设计模型之后，它的任 一参数可以使用正常的特征编辑技术进行编辑。 u g a s s e m b l ym o d e l i n ga n d a d v a n c e da s s e m b l i e s ( 装配建模) 在总装配的特征关系中设计和编辑部件，进行间隙分析 和消隐线移去提供一个并行的自顶向下的产品开发方法， 可以在总装配的上下文中设计和编辑，组件被灵活的、相 关的配对或定位。结构体系允许极大的产品结构由设计队 伍来创建和共享。 k g e 飞机操纵系统传动比分配与系统仿真软件 6 u g d r a f t i n g ( 制图) 能够以实体模型去绘制产品的工程图。基于u n i g r a p h i c 的复合建模技术， u g d r a f t i n g 建立与几何模型相关的尺寸，当模型修改时图纸自动地更新，并提供快 速的图布局。利用由u g f i s s e n i g t ym o d e li n g 创建的装配信息方便地建立装配图，包 括快速地建立装配分解视图。 1 2 3 研究内容 1 9 9 9 年1 2 月，中埃两国签署了关于合作生产8 0 架k 8 e 飞机的合同( 合同包括 中国向埃及出口飞机散件和生产线，在埃及组装整机等) ，该合同由江西洪都航空工 业股份有限公司承担。为了更好的设计k 8 e 飞机的操纵系统，南京航空航天大学航空 宇航学院1 0 2 教研室根据设计单位洪都股份有限公司第6 5 0 所的需求，开发了u g i 【 环境下的飞机在u g i i 下开发飞机操纵系统设计平台设计平台。该平台适用于执行中 国航标的飞机机械传动系统的设计，运行环境为w i n d o w s d o w sn t 40 2 0 0 0 的操作系 统下u g i iv 1 6 以上的版本。 该软件是基于u g i i 的二次开发，借助其o p e n 函数库和0 p e n + + 类库的c c + + 程 序实现。软件的计算以6 5 0 所对k s e 操纵系统的设计结果为基础，并加以改善和发 展，以适用新机型操纵系统的设计。 软件的开发目标与主要性能指标为： 1 能方便地实现硬式机械操纵系统传动比的设计和分配。用户通过交互可以确定 及修改系统的节点数、节点位置、摇臂类型、摇臂初始角等参数，以获得满意 的传动比。 2 在对操纵系统零部件进行计算机实体造型和分类的基础上，能够实现操纵系统 主要零部件的参数化设计。 3 具备自动虚拟装配及运动协调性检查功能，便于设计人员及时了解干涉情况， 找出干涉位置以进行设计改进，减少设计迭代次数。 4 实现飞机操纵系统概念性设计、物理实现和系统集成的设计过程以及三个过程 的反复迭代。 5 软件在高端通用c a d 软件下开发，开发环境与零部件设计环境一致，系统及 零件建模和修改符合设计人员的习惯：系统响应速度快，界面友好，风格与 当前系统完全一致，可使用性好。 4 南京航空航天大学硕士学位论文 第二章相关理论和技术的研究 2 1 软件与软件工程 在近代技术发展的历史上，工程学科的进步一直是产业发展的巨大动力。但人们 对工程学科的另一新成员软件工程却很不熟悉。事实上，软件工程对软件产业的 形成和发展起着决定性的推动作用，在人类进入信息化社会时已成为新兴信息产业的 支柱1 。 2 1 1 软件 软件这一名词在6 0 年代初从国外传来。进入9 0 年代，软件的发展速度己超过硬 件占据信息产业的主导地位。目前，对于软件的一种公认的解释为，软件是计算机 系统中与硬件相互依存的部分，是包括程序、数据、及其相关文档的完整集合，并 包括与当时程序开发、维护和使用有关的图文材料。其中，程序是按事先设计的功能 和性能要求执行的指令序列，数据实时程序能正常操纵信息的数据结构。 软件是一种逻辑实体，而不是具体的物理实体，因而具有抽象性。这个特点使它 和计算机硬件或其它工程对象有着明显的差别，从而使得直到程序在机器上运行才能 知道它的优良与否。 不同类型工程对象的软件开发和维护有着不同的要求和处理方法。对于2 5 人1 2 年完成的5 0 0 0 一5 0 ，0 0 0 行语句的程序，需要软件人员之间、软件人员与用户之 间的协调与配合，要求有严格的计划、资料书写和技术审查情况的软件称为中型软件。 另外，按工作方式软件分为实时处理、分时、交互式和批处理软件，按服务对象分为 项目软件和产品软件”。 本软件开发前后共经历一年多的时间，编写了1 0 ，0 0 0 余条c c + + 语句，出现了 软件人员之间、软件人员与用户之间复杂的协调与配合属于中型软件。同时，本软 件属于交互式的产品软件，计划在后期版本实现实时的飞机操纵系统定性分析。 计算机软件经历了几十年的发展，软件技术己得到了巨大的提高。但是早期积累 的开发经验已不能适应当前科学技术的迅猛发展，二者形成了日益尖锐的矛盾，产生 了诸如软件开发无计划性、软件需求论证不充分、开发过程无规范、产品无评测手段 等问题。从5 0 6 0 年代的大型软件编写混乱的软件危机可以看出，要得到满意的解决， 必须端正对软件的认识，即按工程化的原则和方法组织软件开发工作是有效的，由此 产生了软件工程，并把软件孕育、诞生、成长、成熟、衰亡的生存过程，称为软件的 生存期。它包括六个步骤：制定计划( p l a n i n g ) 、需求分析和定义( r e q u i r e m e n ta n a l y s i s a n dd e f m i t i o n ) 、设计( s o t t w a r ed e s i g n ) 、程序编码( c o d i n g p r o g r a m m i n g ) 、测试及运行 k g e 飞机操纵系统传动比分配与系统仿真软件 维护( t e s t i n ga n dr u n n i n g m a i n t e n a n c e ) 。如今软件发展正处于软件工程阶段，需求己成 为软件发展的动力，开发的成果具有社会属性，软件工作的范围从只考虑程序的编写 扩展到设计整个软件生存期。 2 1 2 软件工程 1 软件工程 在软件开发的各个阶段采用综合治理的方法，并为这些方法的自动化开发出较好 的工具，为软件的实现建立更有效的可重用构件库，为软件质量的保证提供更好的技 术，以及为协调、控制和管理软件开发提出一种基本准则，这样就为软件开发建立一 门学科软件工程。它实际上是由硬件和系统工程派生出来的，包含四个关键元素： 方法( m e t h o d o l o g i e s ) 、语言( l a n g u a g e s ) 、工具( t o o l s ) 芹n 过程( p r o c e d u r e s p r o c e s s ) 。 方法提供构造软件的技术。软件包括一组广泛的任务，例如与项目有关的计算和 各种估算、系统和软件需求分析、数据结构设计、程序体系结构、算法过程、编码、 测试和引入的多种专用的图形符号，以及一整套软件质量的准则。 语言用以支持软件的分析、设计和实现。随着程序编译和软件技术的完善，传统 的编程语言表述能力更强，更加灵活，而且过程实现更加抽象。与此同时，规格说明 语言和设计语言也开始有更大的可执行子集，原型开发语言除必须具有可执行的能力 外，还必须具有规格说明和设计这两种语言的能力。 工具为方法和语言提供自动化或半自动化的支持。今天，工具可以支持上面提到 的任何一种方法和语言。当这些工具集成起来、一个工具产生的信息可以被另一个工 具使用时，就形成了一个支持软件开发的系统：计算机辅助软件工程系统c a s e ( c o m p u t e r a i d e ds o f t w a r ee n g i n e e r i n g ) 。c a s e 把软件、硬件、软件工程数据库( 包 括分析、设计、编码和测试重要信息的数据结构) 组成一个软件工程环境 ( e n v i r o n m e n t ) 。 过程是为获得软件产品，在工具支持工程时完成的一系列软件工程活动。每个软 件开发机构都可以规定自己的软件工程过程，不同类型的软件产品同一软件开发机构 也可能使用多个不同的过程，但通常应包含四种基本的过程活动：软件规格说明( 规 定软件的功能及其运行的限制) 、软件开发( 产生满足规格说明的软件) 、软件确认( 确 认软件能够完成客户提出的要求) 和软件演进( 为满足客户的变更要求，软件必须在 使用的过程演进) 。 本软件的开发同样具有上述四个过程，在确定了软件的功能及开发、运行环境后， 即进入了复杂的软件开发过程。软件以k 8 e 飞机副翼操纵系统为例进行测试，得到了 洪都公司的确认，并确立了后期完善目标实现操纵系统实时运动分析。 南京航空航天大学硕士学位论文 2 软件工程开发模式 软件工程由上面所讨论的一系列方法、语言、工具和过程的步骤组成，这些步骤 通常叫作软件工程模式( p a r a d i g m s ) 它是根据项目和应用的性质、方法、语言和工 具的使用、控制和可交付产品的要求来选择的。许多软件工程模式都把一个项目的开 发分为几个阶段，由此逐渐发展为生存期模型( l i f ec y c l em o d e l ) 。它是系统开发项 目总貌的一种描述，着眼于对项目管理的控制和逐步逼近的策略。 通常一个项目的开发可采用以下几种模型：瀑布式模型( w a t e r f a l lm o d e l ) 、原型 开发模型( p r o t o t y p i n gm o d e l ) 、螺旋模型( s p i r a lm o d e l ) 、四代技术模型( f o r t h g e n e r a t i o nt e c h n i q u e sm o d e l ) 、面向对象生存期模型( o b j e c to r i e n t e dm o d e l ) 和混 合模型( c o m b i n e dm o d e l ) 。其中，螺旋模型适用于大型软件的开发，应该说是最为实 际的方法，它吸收了软件工程演化的概念，使得开发人员和客户对每个演化层出现的 风险有所了解，继而做出应有的反应。这些软件开发模式看上去很严谨，但实际上很 少有软件项目能完全按照上述过程一步一步的进行。软件风险是普遍存在于任何软件 开发项目中的实际问题。对于不同的项目风险有大有小。在制定软件开发计划时 系统分析员必须回答：项目的需求是什么，需要投入多少资源以及如何安排开发进度 等一系列问题。实践表明，项目规模越大，问题越复杂，资源、成本、进度等因素的 不确定性越大，承担项目所冒的风险也越太。螺旋形模型的优越眭比起其它模型来说 是明显的，它的使用需要具有相当丰富的风险评估经验和专f i n n 识。因此，为适应不 同情况的要求，需要开发一种更加灵活、更加动态的方法来解决软件开发过程中遇到 的各种问题。这样就产生了又叫混合模型的过程开发模型，它实际是几种不同的模型 的组合。联合几种模型构成一个混合模型，就可以充分利用各种模型的长处，根据需 求的不断改变和具体截断构思各个框架。 本软件的开发采取了混合模型，根据需求的变化、进度等在不同阶段采取不同的 模型。 2 2 传统的开发方法 2 2 1 分析原理 传统的软件开发首先由分析员在两方或多方之间充分交流的基础上进行需求分 析，确定信息域、建立模型、划分层次，确定基本和实现观点( e s s e n t i a la n d i m p l c m e n t a t i o nv i e w s ) ，最后建立规格说明。 1 信息域 所有的软件应用都可统称为数据处理( d a t ap r o c e s s i n g ) 。软件就是对处理数据进 7 k g e 飞机操纵系统传动比分配与系统仿真软件 行构造，使得数据从一种形式变换到另种形式，即接受输入，继以某种方式进行处 理，最后产生输出，如图2 一l 所示。信息域包括以下三个不同方面的数据和控制： a 信息流：数据和控制沿系统流动变化的方式，并用变换或功能之间流动的数据 和控制定义每个功能接口： b 信息内容：单个数据和控制项，可组成更大的信息项： c 信息结构：各种数据和控制项的内部组织或组成的树结构。 2 基本观点和实现观点 数据痒 图2 - 1 数据处理 软件需求的基本观点是给出要完成的功能和处理的信息，实现的细节则在需求规 格说明的较后阶段和软件设计阶段考虑。实现观点是给出真实世界处理功能的表现形 式和信息结构。通常物理表达式的开发只是作为软件设计的第一步，但是更多的基于 计算机的系统则要求把相应的实现细节也列入说明。 本软件要求在u gi i 下完成飞机操纵系统的理论设计、三维装配及运动协调性检 查，具体的功能模型和信息模型将在第三章阐述。 3 规格说明 需求表示在定的意义上应导致结果良好的软件的实现，因此软件需求规格说明 是在对用户需求分析的基础上、把用户的需求规范化、形式化写成的，从而为软件开 发提出总体要求。作为和开发人员之间相互了解和共同开发的基础，需求内容应根据 国标g b 8 5 6 7 8 8 计算机软件产品开发文件编制指南制定。1 。 2 2 2 结构化分析 结构化分析s a ( s t r u c t u r e da n a l y s i s ) 像所有的软件分析一样，是一种模型的确 立活动。s a 方法就是使用独有的符号来确立描绘信息( 数据和控制) 流和内容的模 型，划分系统的功能和行为，以及其它为确立模型不可缺少部分的描述。 为任何基于计算机的系统建立一个( 数据) 流模型，这种系统对各种形式的输入、 使用硬件、软件和人的各个元素进行变换，生成不同形式的输出，而不去考虑它的复 杂性。s a 是一种信息流和内容建模技术，是基于计算机的系统作为一种信息变换给 r 南京航空航天大学硕士学位论文 出的。但很多用于实时系统的软件则决定于控制信息，对于由事件驱动的应用系统除 了要求用数据流建模外，还要求用控制流建模。 1 数据流 当信息通过软件时，它被一系列的变换所改变。一个数据流图d f d ( d a t af l o w d i a g r a m ) 是一种描述信息流和数据从输入到输出( 箭头所指) 的变换的应用图形技 术如图2 2 所示。d f d 可以用来表示一个系统或软件在任何层次上的抽象。实际上 d f d 分层可以表示信息流和功能的进一步的细化( 虚线所示) 。 圈2 2d f d 细化 d f d 能使软件工程师同时开发信息领域模型和功能领域模型。随着d f d 细化到 更多细节的层次，分析员就完成了一个隐含的系统功能分解。同时，d f d 的细化导 致了数据相应的细化，作为数据在过程中的具体应用。d f d 细化要继续不断直到每 一个圆圈只完成一个简单功能为止。也就是说，由圆圈表示的过程只完成一个功能， 而且这一功能应作为一个比较容易实现的软件构件。 2 控制流 控制流图c f d ( c o n t r o lf l o w d i a g r a m ) 和d f d 有相同的过程，但表示的是控制 流，而非数据流。在流模型内，不是直接表示控制过程而是采用一种符号( 一个实 杠) 标注到一个控制规格说明c s p e c ( c o n t r o ls p e c i f i c a t i o n ) 。实质上，这个实杠可 以被看作进行“执行”( 该c s p e c ) 的一个“窗口”。在基于事件的d f i ) 中，该过程 ( 圆圈) 的控制是通过这个窗口送出去的。c s p e c 主要用于表明： a 当一个事件或控制信号送走时，软件应该工作。 垦堡兰墨堡坐墨竺堕垫堕坌墼皇墨竺堕塞竺堡 b 作为事件发生的结果，引发哪一个过程的进行。一个过程规格说明p s p e c ( p r o c e s ss p e c i f i c a t i o n ) 在个流图中，用来描述一个过程内部的工作情况。 图2 - 3 过程模型 数据流图用于表示数据和数据的处理过程；控制流图表示事件流在过程中怎样流 动，并说明导致各种不同过程被启动的那些外部事件。过程与控制模型之间的相互关 系如图2 - 3 所示。这个过程模型是通过数据条件连接到控制模型的，而这个控制模型 则是通过包含在c s p e c 中的过程启动信息连接到过程模型的。数据条件可发生在任 何时候，只要数据输入给一个过程导致一个控制输出，数据条件就会发生。本软件同 一般软件一样，是数据流和控制流的组合，它在计算内部发生数据信息的转化和变换， 在模块之间也发生数据流的传递；而控制流不仅存在于模块之间的联系，而且最简单 的判断语句本身就是一个控制过程。 2 2 3 设计原理和原型开发 当采用模块化的方法解决问题时，可以提出不同层次的抽象( l e v e l so f a b s t r a c t i o n ) 。在抽象的最高层，可以使用问题环境的语言，以概括的方式叙述问题 的解。在抽象的较低层，则采用更过程化的方法，即结合使用面向问题的与面向实现 的术语来描述问题的解。而在抽象的最底层，应用直接实现的方式来说明。 软件工程过程中的每一步，都是对软件解的抽象层次的一次细化和抽象的过程。 在系统定义过程中，把软件作为计算机系统的一个元素来对待；在软件需求分析时， 软件的解将使用问题环境中常用的术语来描述：当从概要设计转入详细设计时，抽象 的层次进一步减少；最后，当源代码写出时，抽象的最低层也就到达了。 控制层次( c o n t r o lh i e r a r c h y ) 也叫程序结构( p r o g r a ms t r u c t u r e ) ，给出了程序构件 的组织，这种组织包含了控制的层次：深度( d e p t h ) 表示控制的层次，宽度( w i d t h ) 1 0 南京航空航天大学硕士学位论文 表示同一层次上控制的最大数，扇入( f a n i n ) 则是对一个给定模块被多少个模块直接 控制的度量。模块之间的控制关系，可用下面的方法表示：控制另一模块的模块叫做 上级模块( s u p e r - o r d i n a t e ) ，反之，则为从属模块( s u b o r d i n a t e ) 。模块必须满足很好的 信息隐藏、独立性和很高的聚合度，以保证模块内的信息不被其它的模块访问，并且 模块之间接口简单，一个聚合程度高的模块将只完成软件过程内的一个单一的任务。 数据结构( d a t as t r u c t u r e ) 是一种数据各元素之间逻辑关系的表达式，它决定信 息的组织、存取方法、结合的程度，以及可选的处理方法。它与程序结构同等重要。 软件结构是在不考虑处理和决策的顺序时定义的控制层次。软件过程( s o f t w a r e p r o c e d u r e ) 着重于每一个单独模块的处理细节，必须提供精确的处理规格说明，其中 包括事件的顺序。确切的抉择点、重复的操作，以及数据的组织与结构，过程也是分 层的。 设计过程中，必须先建立一个能反映最终产品所有预定性能的模型，以指导进一 步的开发和生产，这就是原型开发( 软件工程中的生产是指建立个产品的完整过 程) 。 迄今认为对付变化最有效的方法是采取演化型开发，它是指经过不断的完善成为 最终的系统并使最初需求无效，从而导致全新的交付由此决定增加和修改是此种 原型开发的两个基本特征。这种方法与传统的软件开发主要的不同是高度的迭代和高 度的动态性。与演化型开发有很大相同之处的是增量型开发。不同之处在于后者从软 件总体设计出发，然后完成模块设计，并顺序的增加。与演化式相同，系统不断的形 成，但动态方式显著的减少。 本软件原型开发高层次上采用了增量型开发，从软件总体出发，构件模块，然后 完成模块化设计，同时模块设计采用演化型的方法，根据需求的改变而改变。 如今，大型的软件工程基本上都是面向对象的。c + + 作为面向对象的程序设计和 世界上最流行的、用于商业软件开发的程序设计语言c 之间的桥梁，其目标是为面 向对象的设计提供一个快速的商业软件开发平台。c + + 从理解问题论域的分析开始， 侧重于创建解决方案的设计直到测试、完善和管理，这一过程的最后结果是产生一个 文档和一个产品。 计算机语言在数据分类、子程序机制、控制结构和面向对象方法的支持这四个主 要的编程语言课题范围内进行分类，目前使用最广泛的语言为c + + 、j a v a 等。本软件 采用u gi i 0 d e n h 支持的第三代语言c + + 开发。 2 3 质量与质量保证 2 3 1 质量与质量保证 从实际应用来说，软件质量( s o t t w a r eq u a l i t y ) 应这样定义：与明确确定的功能 k s e 飞机操纵系统传动比分配与系统仿真软件 和性能需求的一致性，与明确成文的开发标准的致性，与所有专业开发的软件所期 望的隐含的特性的一致性。它主要从可使用性、可维护性和可移植性三方面评价，同 时还应该包括安全性、效率、环境工程、可测试性、可理解性、可修改性、设备独立 性、完整性、准确性、一致性、设备效率、可存取性、通信性、结构性、简洁性、易 读性和可扩充性。当然，软件工程项目高质量商效率的完成还决定于计划和管理的水 平，包括硬件、人员、软件( 数据库、子程序包、操作系统等) ，还包括进度安排、 配置管理、软件开发组织、软件计划和产权保护。 软件测试( s o f t w a r et e s t i n g ) 是软件质量保证的主要活动之一。它虽不是质量保 证的安全网，但仍是不可缺少的，且是非常重要的环，因为软件测试是软件质量保 证的一个临界和决定成分，它提供对软件规格说明、设计和编码的最终评审。软件测 试可以分为测试每个功能的黑盒子测试和测试软件内部活动是否都符合设计要求、检 查软件内部逻辑结构的白盒子测试。 以k 8 e 飞机副翼操纵系统的设计为例作为测试报告的基本内容，开发中整体采用 给定的k 8 e 飞机副翼操纵系统作为平台的创建、修改、查询、计算和三维建模功能的 黑盒子测试，而对于非常重要的计算模块，则在编码期间随时进行检验，即白盒子测 试。 软件维护是软件生存周期的最后一个阶段。它不只是修正错误，而且按维护性质 还包括改正性维护、适应性维护、完善性维护和预防性维护。它必须由维护机构提出 编写报告后进入维护流程，并在最后提交记录保存和评价。本软件的维护和完善，将 在后期的版本中进行。 2 3 2 软件工程标准化与软件文档 在当前国内许多软件项目忽视工程化的情况下，尤其是在与软件大国例如印 度的差距日益扩大的情况下，组织开发和制定软件工程标准固然重要，但如何使 软件企业或其他软件开发机构重视软件工程标准更为重要。因此，本软件在开发中从 自身做起，重视标准，切实的推进软件工程标准化工作，并按国家标准完成了中英文 文档的编写，包括需求分析、概要设计手册、设计手册、操作手册和测试文档。 2 4 工具与环境 计算机系统应当说是由硬件、软件和人共同构成的系统，它与硬件、软件的交叉 部分构成了人一机界面h c i ( h u m a n c o m p u t e ri n t e r f a c e ) 。本软件开发中，h c i 采用与 u g 风格一致的菜单界面和图符界面。 软件开发工具是指支持软件生存期中某一阶段的任务实现而使用的计算机程序。 软件开发环境是一组相关的软件工具的集合，它们组织在一起支持某种软件开发方法 或与某种软件开发模型相适应。本软件的c ，c + + 程序采用i n t e r n a l ( 内置) 的u g 模 南京航空航天大学硕士学位论文 板编写代码并内嵌到u g i i 下。 2 5 i d e f 的建立方法和设计方法 当前面向对象的技术在计算机技术领域中应用日益广泛，同时软件开发人员也 已充分意识到了系统集成中分析工具的重要性。美国的k b s i 公司现正在逐渐形成一 整套在结构化分析方法基础上发展起来的、从各个方面分析设计复杂系统的1 d e f 系 统方法家族。该方法由三部分组成：i d e f 0 ( 功能模型) 、i d e f l ( 信息模型) 和i d e f 2 ( 动态模型) 组成。本软件开发过程中亦实现了d e f 0 和i d e f l 中i d e f l x 数据模 型的分析【“。 2 5 1 i d e f 0 功能模型 i d e f o 是由传统的结构化分析方法发展而来的一种建模方法。该模型由一系列图 形组成，图形的元素主要包括简单的盒子和箭头，其中把描述功能活动的图形称为活 动图形( d i a g r a m s ) 。在活动图形中，盒子表示活动。不同位置的箭头表示由系统处 理的不同的事件，分别为输入、输出、控制和机制。控制说明了控制变化的条件或环 境、约束，机制是执行活动的人或设备，当输入与控制二者的作用无法明确区分时可 看作控制。 1 辅出 机制 图4i d e f 0 构成 盒子表示了一组相互有关的活动，而不一定是单一的作用。在不同条件、不同环 境下用不同的输入或控制可以产生不同的输出、执行功能的不同部分。这称为对盒 子的不同激活，此时盒子的每一边上有多个箭头。在活动图形上，箭头代表数据约束， 而不一定是代表流或顺序。一个盒子上的输出数据若连到另一盒子的输入或控制则表 示一种约束，该约束即为接受数据的盒子的执行条件。在同一图形上，若几个盒子所 需的约束都满足时，几个活动可以同时执行。同时箭头可以联合，代表数据流可以有 集合性。 k g e 飞机操纵系统传动比分配与系统仿真软件 2 5 2 d e f i x 数据模型 数据可以认为是有含义的事件的符号表示。在软件开发中，将数据视为一种资源 进行管理是非常必要的。一个单一的含义能被用于多种不同的事件，而信息就可视为 为某个特定目的或在一定范围内聚合起来的数据集。 传统的对系统进行建模的方法仅仅着眼于用户视图和计算机视图。在用户视图 ( 外部视图) 中，数据定义从记录和屏幕角度来设计，以帮助各个单位处理它们自己 的具体任务；但从使用观点来说，对数据结构的要求却是随事务环境和各用户的偏好 而变化的。在计算机视图( 内部视图) 中，为便于数据在计算机内部以文件结构的方 式进行存贮和检索，计算机存贮数据的结构是视所用的具体计算机技术和高效处理数 据的要求而定。通常，为一个最初应用所定义的内部模式，并不能方便的用于后续的 应用并可能导致数据冗余和不一致性，因此在一个理想的数据管理环境中，需要数 据的第三个视图“概念视图”。它是数据的一个单一集成定义，不偏向于任何专门的 数据应用，同时独立于数据的物理存贮和存取方式。这个概念模式主要是提供数据的 含义和其相互关系的一致定义，从而用来集成、共享和管理数据的完整性。它必须和 企业或软件基础结构相一致，并且真正覆盖所有的应用范围。它必须是可扩展的，也 必须可转化成用户所需的视图和多种数据存取结构。 i d e f l x 是开发数据语义特征逻辑模型的技术和过程。在企业中，这些语义模型 可以作为一个数据源支持数据管理、信息系统集成和计算机数据库的构造，也可以开 发信息模型。表述系统环境的信息结构和语义。作为一种相关语言，它支持概念模式 的开发，包含数据的有关事物( 实体) ，事物之间的联系用连结盒子的连线来表示， 事物的特征用盒子中的属性名来表示。实际上i d e f l x 表明了面向对象的属性、实体 和类的关系。 窑俸名 关鼍字屠性名 属性名 息性名 图2 5i d e f l x 构成 1 4 南京航空航天大学硕士学位论文 第三章平台的总体设计 本章介绍在操纵系统平台、语言选择的基础上、确定了系统的运行环境后建立的 系统总体方案。 3 1 系统概貌 根据甲方提出的技术要求，己确定本软件的开发在高端c a d 软件o n i g r a p h i c s 1 1 1 6 以及1 7 版本下进行。 目前u g i i 的安装是基于网络环境的，因此在微机运行环境的基础上，只能选择 w in d o w s2 0 0 0 或w i n d o w sn t 。 如今微软的操作系统正在发生着更新换代的变化，不仅从w i n d o w s9 x 上升到了 w