民機飛控計算機系統(tǒng)虛擬樣機驗證平臺研究
加入技術交流群
隨著虛擬樣機技術的成熟，國外已經(jīng)將虛擬樣機技術成功的應用到各種復雜系統(tǒng)中。飛行控制系統(tǒng)正向著數(shù)字化、綜合化、智能化的方向發(fā)展，系統(tǒng)功能增加，構成復雜，和機上其它系統(tǒng)交聯(lián)越來越多，設計難度越來越大?；谔摂M樣機技術的設計方法為飛控系統(tǒng)的研發(fā)制造提供強有力的支持。
本文分析了民機Boeing777、A340和BuAA民機型方案的非相似多余度飛控計算機系統(tǒng)，對民機非相似余度飛控計算機系統(tǒng)虛擬樣機的驗證平臺進行研究。
1．1虛擬樣機技術
虛擬樣機(Virtual Prototyping，簡稱VP)技術是一種基于產(chǎn)品的計算機仿真模型的數(shù)字化設計方法。這些數(shù)字模型即虛擬樣機(virtual prototype)，又稱為虛擬原型機，將不同工程領域的開發(fā)模型結合在一起，從外觀、功能和行為上模擬真實產(chǎn)品，產(chǎn)品在概念設計階段就可以迅速地分析、比較多種設計方案，采用相應分析工具，對虛擬樣機的功能，性能進行仿真分析，對虛擬樣機的行為進行模擬分析，并基于分析結果，修改產(chǎn)品設計和相應的仿真分析模型。虛擬樣機支持并行工程方法學，利用虛擬樣機替代物理樣機在產(chǎn)品全壽命周期過程中對產(chǎn)品進行創(chuàng)新設計、測試、評估和人員訓練，可以縮短研發(fā)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量。虛擬樣機技術是基于先進的建模技術、多領域協(xié)同仿真技術、信息集成與管理技術、工程設計分析技術、交互式用戶界面技術和虛擬現(xiàn)實技術的綜合應用技術。
1．2飛控系統(tǒng)虛擬樣機技術
飛機是一種極其復雜的系統(tǒng)，在其設計、制造、試驗和飛行過程中都將面臨許多技術難題，特別是一些新的關鍵技術和試驗項目能否達到預期的目標，依賴制造物理樣機和進行飛行實驗來驗證的代價是非常大的。隨著虛擬樣機技術的飛速發(fā)展和廣泛應用，飛機的設計、試驗和運行在概念和方法上有了新的飛躍。通過建立虛擬樣機來實現(xiàn)飛機的設計和試驗已經(jīng)成為主流方向之一。
飛行控制系統(tǒng)作為飛機系統(tǒng)的重要一部分，也通過建立虛擬樣機來實現(xiàn)。它可以在一定的程度上實現(xiàn)真實物理系統(tǒng)的功能，驗證系統(tǒng)性能是否合乎設計要求，進行系統(tǒng)的性能評價，克服飛控系統(tǒng)物理樣機花費昂貴、制造周期長等缺點。使用虛擬原型機可以在飛控系統(tǒng)的設計開發(fā)過程中實現(xiàn)真正的并行工程開發(fā)，滿足多學科設計組的工作要求，提高產(chǎn)品的開發(fā)效率。虛擬樣機技術可以貫穿于飛控系統(tǒng)研制的全過程，包括功能需求、軟件設計(包括概要設計和詳細設計)、設計實現(xiàn)、系統(tǒng)集成和測試驗證等階段。通過全生命周期的建模和仿真技術的應用，VP為我們提供了一個能夠?qū)︼w控系統(tǒng)進行反復設計、測試、驗證和評估的開發(fā)平臺。
Honeywell空間系統(tǒng)部門提出了用于飛行器開發(fā)過程的航空電子綜合開發(fā)環(huán)境的概念，它綜合了很多商業(yè)軟件工具，各子系統(tǒng)設計并行進行，采用共同的數(shù)據(jù)庫管理。系統(tǒng)的建模通過商用圖形交互環(huán)境VAPS完成，設計者可以采用圖形化的快速建模進行初始設計配置和系統(tǒng)性能分析。AIDE提供標準組件的軟件模型庫，支持Ada、C和FORTRAN語言，庫中模型具有標準格式，使設計過程中所有的部門可直接獲得。J佃E的硬件結構樣機開發(fā)單元建立在商業(yè)硬件上，包括兩部分：商業(yè)MIL-STD-1750A處理器，其上運行Ada語言的飛行控制軟件；Intel 860的單板計算機，其上運行相關的環(huán)境仿真軟件，稱為仿真引擎。仿真引擎的底板總線基于MultibusⅡ，提供飛行處理器和仿真引擎間的數(shù)據(jù)通信。
ADE綜合了TLD(Ada開發(fā)系統(tǒng))和Tartan(Ada編譯系統(tǒng))圖形化調(diào)試器，提供了運行在飛行處理器和仿真引擎上的代碼可視性。用戶可同仿真引擎實時進行交互，提供了一個快速設備觀察在用戶定義的條件下整個系統(tǒng)的執(zhí)行情況。使用Matrix X工具進行自動代碼產(chǎn)生。
美國國家航空實驗室NLR的FBW的設計與實驗環(huán)境具有模塊化的結構和定義的界面。整個環(huán)境包括完全的飛機和飛行控制系統(tǒng)結構，具有圖形化用戶界面和線性化分析工具。FBW系統(tǒng)的設計過程自動化和性能評價通過開發(fā)的操作品質(zhì)評價工具箱執(zhí)行，這個工具箱是由一系列的功能組成，這些功能支持飛機性能的設計結果同設計需求進行比較分析。為了獲得合適格式的分析數(shù)據(jù)，具有能夠計算縱向和橫向飛行品質(zhì)的低階等效系統(tǒng)，基于初始系列軍用規(guī)范建立設計參數(shù)。所有工具都是在Matlab/Simulink環(huán)境中設計，支持設計數(shù)據(jù)的交換進行系統(tǒng)快速分析。仿真環(huán)境具有在線和離線分析能力；提供飛行可視化分析，數(shù)據(jù)以視頻方式存儲用于回放：飛行測試時進行故障設置和測試。
JPL(Jet Propulsion Lab)開發(fā)的FST(Flight System Testbed)環(huán)境主要由COTS產(chǎn)品和JPL開發(fā)的工業(yè)標準的軟件組成忉。該環(huán)境由模塊化組件組成，定義和執(zhí)行標準化實時的功能界面，具有標準網(wǎng)絡接口和總線、基于32位CPU的商用實時操縱系統(tǒng)和支持廣泛使用的語言(C、C++和LabView)。先采用以太網(wǎng)作為通信媒介，之后被1553B總線代替，并不影響飛行器和仿真子系統(tǒng)。FST由一些太空船的子系統(tǒng)組成，可以開發(fā)太空船單個子系統(tǒng)的仿真模型。提供系統(tǒng)設計的連貫性和標準的系統(tǒng)水平界面。通過TCP／IP以太網(wǎng)將地理位置不同的部門連接，支持方便的獲得測試臺活動需要的組件或子系統(tǒng)模型。JPL同工業(yè)部門協(xié)商和建立合作關系，進行新技術的評價。減少了工程成本，支持重復使用，對未來的任務需求評價新技術，發(fā)展測試環(huán)境的能力。基于以上虛擬樣機技術在飛控系統(tǒng)的應用情況，飛控系統(tǒng)設計虛擬樣機支持環(huán)境的特征如下：開發(fā)環(huán)境由模塊化組件組成，可擴展和重復使用；使用COTS硬件、軟件以及支持廣泛使用的語言；標準實時的系統(tǒng)界面，在不影響系統(tǒng)性能情況下允許真實子系統(tǒng)或組件的直接代替；由統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫管理，網(wǎng)絡連接飛控系統(tǒng)設計過程中各部門進行實時信息交換；圖形化交互軟件，可進行可視化建模和分析?；谔摂M樣機技術在以上飛控系統(tǒng)中的應用情況，并隨著虛擬樣機技術的發(fā)展，飛控系統(tǒng)虛擬樣機技術的發(fā)展方向如下：
(1)建立一個先進的、開放的、分布的和集成的支撐平臺，工具集，支持飛控系統(tǒng)整個生命周期的設計過程和性能評估。
(2)虛擬樣機開發(fā)環(huán)境具有通用性和可重用性，能夠完成多種不同類型飛控系統(tǒng)的虛擬樣機，系統(tǒng)參數(shù)可調(diào)，模型具有良好的通用性、可移植性和可擴充性，在更改有關算法和數(shù)據(jù)庫后，設計研究人員和使用方可對飛控系統(tǒng)進行二次開發(fā)和分析研究。
(3)系統(tǒng)由大多數(shù)市場上COTS產(chǎn)品組成，采用模塊化結構，具有易于擴展和可重復使用的特性。標準實時的系統(tǒng)界面，在不影響系統(tǒng)性能情況下允許真實子系統(tǒng)或組件的直接代替；
(4)飛控系統(tǒng)設計過程中各學科組、各部門和工業(yè)可實時地參與飛控設計和試驗，交換設計信息，具有圖形化交互環(huán)境，可進行可視化建模和分析。
(5)開發(fā)虛擬樣機平臺的關鍵技術，工程管理技術、多學科虛擬樣機協(xié)同仿真技術、前期概念規(guī)劃和后期性能評估技術、設計優(yōu)化技術、虛擬環(huán)境技術、模型的校驗、驗證和確認技術。
(6)可進行虛擬樣機的可制造性、可維護性和可適用性評估。
本文引用地址：http://2s4d.com/article/201706/353820.htm 中國大型飛機研制重大科技專項已經(jīng)正式立項，民用飛機生產(chǎn)要達到當前國際商業(yè)和經(jīng)濟環(huán)境的要求，迫使各個開發(fā)商在開發(fā)過程中減少開發(fā)代價、縮短生產(chǎn)周期。采用虛擬樣機技術是中國大型飛機研制中的必然選擇。
2非相似余度飛控計算機系統(tǒng)介紹
民用飛機從開始使用電傳操縱系統(tǒng)后，由于更高的可靠性要求，較多使用非相似余度方案。
2．1 Boeing777的3×3余度主飛控計算機
Boeing777的主飛控計算機系統(tǒng)包括3個完全相同的數(shù)字式計算機通道，每個通道有3個非相似的支路，各個通道之間采用ARINC629數(shù)據(jù)總線通訊。每個支路軟件都采用Ada編寫，但采用三種不同的Ada編譯器編譯。支路的輸入輸出部分包括3個ARINC629終端，其中2個用于接收，1個用于發(fā)送／接收。Boeing777主飛控計算機結構如圖1所示。
個PFC內(nèi)的支路同步工作，三個通道以異步方式工作。通道間數(shù)據(jù)的比較和監(jiān)控以及系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)交換通過同組的數(shù)據(jù)總線進行，通道內(nèi)各支路間數(shù)據(jù)比較和監(jiān)控通同組的數(shù)據(jù)總線進行。通道內(nèi)支路間的專用總線，主要實時鐘同步和支路狀態(tài)交換，決定是否發(fā)送支路禁止和告警號等功能。
系統(tǒng)具有多級表決面，支路依靠自監(jiān)控和在線監(jiān)控確認硬件正確性；每個支路接收來自通道內(nèi)其它兩個支路的離信號決定是否對該支路進行支路禁止和失效告警，通過同總線進行支路間的數(shù)據(jù)比較和監(jiān)控；指令支路計算出的關輸出參數(shù)同其它兩個通道指令支路對應的輸出組進行中選擇。
A340的飛控計算機系統(tǒng)包括3個飛控主計算機(FCPCs)和2個飛控輔助計算機(FCSCs)，還有兩個飛控制數(shù)據(jù)集中器(FCDCs)和兩個縫翼，襟翼計算機(SFCCs)。系統(tǒng)任務在FCPCs和FCSCs之間分配，任何時都有一個計算機處于運行狀態(tài)，另外一計算機處于備份狀。每個計算機包含兩個支路：指令支路和監(jiān)控支路，兩支的功能不同。指令支路運行分配給該計算機的任務，監(jiān)控路確保指令支路的正確性。飛控計算機采用了非相似的硬和軟件：FCPCs和FCSCs使用非相似的處理器；指令支和監(jiān)控支路使用不同的編程語言。飛控計算機內(nèi)部結構如圖2示。
FCCs解算控制律給作動器發(fā)送指令，控制飛機的滾、偏航和俯仰，F(xiàn)CSCs處于備份狀態(tài)，當FCPCs失效，F(xiàn)CSCs投入運行。當計算機的兩個支路的輸出不一致時，該計算機被切除，剩下的計算機按照預先規(guī)定的優(yōu)先級順序投入運行。A340的飛控計算機系統(tǒng)使用ARINC429總線進行信息傳輸。
本課題組提出的Bu從余度飛控計算機新方案的總體結構如圖4所示。采用四套非相似處理器的計算機構筑四余度系統(tǒng)，每個通道有兩個支路，指令支路和監(jiān)控支路。每個支路上運行兩套控制軟件：主模塊和備用模塊。主模塊和備用模塊在功能上完全相同，具有三軸全權限工作能力。同一通道內(nèi)的兩個支路上運行的主模塊軟件包不同，但都采用相同的軟件包作為備份，共使用了三種不同的軟件包，三個軟件包采用了差異性設計方法。ACE提供RFCC-CA的離散和模擬接口。每個ACE包含有4個終端控制器，3個接收，1個發(fā)送／接收。
每套計算機內(nèi)，指令支路和監(jiān)控支路同步運行，使用相同的數(shù)據(jù)進行控制律計算。指令支路執(zhí)行控制功能，發(fā)送控制指令。指令支路的主模塊失效后，備用模塊投入運行。監(jiān)控支路監(jiān)控指令支路的運行，兩個支路輸出的差值超過規(guī)定的閾值，則判定該通道失效，切斷該通道的輸出。RFCC-CA的四個通道按照異步方式全部投入工作，任意一個通道都能控制飛機飛行。每套計算機和AcE都從四余度總線接受數(shù)據(jù)，但只向同組的總線發(fā)送數(shù)據(jù)。當本組的計算機或者總線失效后，ACE從其它總線選擇控制輸入。本組的ACE失效后，它控制的控制面的控制權限由其它的ACE代替。當該計算機失效后，其控制任務由其它的計算機替代，替代順序由系統(tǒng)設計人員事先規(guī)定。計算機控制權限分配、計算機控制任務的替換關系以及液壓源分配方式如圖5示。
每個支路依靠自監(jiān)控和在線監(jiān)控判斷本支路的輸出信號是否有效。本通道的監(jiān)控支路不僅監(jiān)控通道內(nèi)的指令支路，還監(jiān)控其它通道的指令支路。指令支路和監(jiān)控支路構成比較監(jiān)控結構保證輸出指令的正確。
3 民機飛控計算機系統(tǒng)虛擬樣機開發(fā)與驗證平臺研究
為了深入分析B0eing、Airbus系列和BUAA余度飛控計算機，比較諸方案的優(yōu)缺點，為我國大型民機的研究提出有益的建議，根據(jù)以上飛控系統(tǒng)虛擬樣機技術的發(fā)展趨勢，本課題組對民機飛控計算機系統(tǒng)虛擬樣機的驗證平臺進行研究，該平臺可以實現(xiàn)Boeing777、A340和BUAA民機型非相似余度飛控計算機系統(tǒng)虛擬樣機，從功能和行為上模擬真實的飛控計算機系統(tǒng)。
本文使用lO臺PC結構工控機構筑虛擬飛控計算機，選用兩種不同類型的處理器芯片，Intel和PowerPC。通道間的數(shù)據(jù)總線采用以太網(wǎng)，使用ARINC629總線協(xié)議進行通訊，實現(xiàn)通道間和通道內(nèi)輸出數(shù)據(jù)比較的功能。通道內(nèi)各支路之間由于處理的信息量不大，采用計算機串行接口進行通訊，實現(xiàn)各支路時鐘同步、系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)交換等功能，來發(fā)送支路禁止或失效告警信號。虛擬樣機配置方案如圖6示。
虛擬余度飛控計算機的運行軟件環(huán)境為VxWorks實時操作系統(tǒng)，軟件程序由3個設計人員用C語言編制相同功能的不同版本算法程序，實現(xiàn)通道內(nèi)支路軟件非相似.虛擬樣機驗證平臺的軟件系統(tǒng)包括系統(tǒng)管理軟件、余度管理軟件和應用軟件，各軟件由不同的軟件模塊組成。系統(tǒng)管理軟件包括同步和異步、同步支路通訊、異步通道通訊、I/O管理、故障設置和記錄。余度管理軟件包括計算機BIT,輸入監(jiān)控表決、輸出監(jiān)控表決、故障檢測隔離和系統(tǒng)重構。應用軟件包括縱向和橫側向控制律。系統(tǒng)調(diào)度運行利用了實時操縱系統(tǒng)Vxworks中基于優(yōu)先級的搶占式調(diào)度算法和基于時間片的輪轉調(diào)度算法相結合的任務調(diào)度機制。系統(tǒng)運行狀態(tài)顯示和數(shù)據(jù)綜合處理計算機的軟件程序采用VC++開發(fā)。系統(tǒng)運行管理計算機基于PDM軟件，對虛擬樣機開發(fā)過程中產(chǎn)生的全部數(shù)據(jù)進行綜合管理。
運行開始時由數(shù)據(jù)綜合處理計算機進行系統(tǒng)結構配置。運行過程中，各工控機從總線上接收飛行員指令，并接收來自信息管理系統(tǒng)的飛機姿態(tài)和外部大氣數(shù)據(jù)等信息進行控制律解算，表決后的結果發(fā)送到總線上。數(shù)據(jù)綜合處理計算機從總線上接收輸出數(shù)據(jù)，并發(fā)送給舵面仿真子系統(tǒng)。舵面偏移量通過總線以數(shù)字量傳送到仿真計算機系統(tǒng)。仿真計算機實現(xiàn)飛機運動的實時仿真。系統(tǒng)狀態(tài)顯示計算機將各個虛擬飛控計算機上傳的數(shù)據(jù)進行在線顯示，顯示的數(shù)據(jù)同時被記錄。
3.1 Boeing777飛控計算機系統(tǒng)的虛擬樣機實現(xiàn)
用上述提出的虛擬樣機平臺實現(xiàn)Boeing777飛控計算機系統(tǒng)的虛擬樣機如下圖7示。
PFC的支路軟件進行在線自檢測，判斷本支路信號是否有效。監(jiān)控支路監(jiān)控結果反映在狀態(tài)字中，包括本通道指令支路是否有效、支路失效告警和禁止信號，它作為消息的一部分通過總線傳輸。各通道指令支路的輸出同其它兩個PFC的輸出數(shù)據(jù)進行中值表決，表決結果發(fā)送到指定總線上。
3．2 A340的非相似多余度飛控計算機系統(tǒng)的虛擬樣機實現(xiàn)
A340的飛控計算機系統(tǒng)虛擬樣機實現(xiàn)如下圖8示。A340飛控計算機系統(tǒng)虛擬樣機由10個支路組成。系統(tǒng)任務在KPcs和FCSCs之間分配，計算機的功能不同，運行的軟件不同。任何時刻都有一個計算機處于運行狀態(tài)，另外一計算機處于熟備份狀態(tài)。每個計算機也包含兩個支路：指令支路和監(jiān)控支路。由于A340飛控計算機內(nèi)兩個支路的處理器類型相同，實現(xiàn)時也可以用同一臺計算機同時模擬這兩個支路，軟件上采用多線程編程的方法，用不同版本的支路軟件實現(xiàn)非相似，同時FCPC和FCSC的處理器非相似，保證硬件非相似。
兩個支路之間通過計算機串行接口進行通信。指令支路輸出數(shù)據(jù)到總線上，監(jiān)控支路軟件也解算控制律，但只是監(jiān)控指令支路的運行，不向總線發(fā)送控制指令。比較計算機的兩個支路的輸出，如果它們輸出的差值超過閩值時，就切斷此計算機輸出，由備用計算機代替，替代順序由開發(fā)人員預先指定。
BUAA余度飛控計算機(RFCC-CA)新方案的虛擬樣機實現(xiàn)如圖9示.
余度飛控計算機系統(tǒng)由四個通道組成，每個通道有兩個支路：指令支路和監(jiān)控支路。所有支路使用相同的數(shù)據(jù)進行控制律計算。支路I，o端的總線仿真卡實現(xiàn)為4個終端，3個用于接收，1個用于發(fā)送／接收。通道內(nèi)支路同步工作，通道間按照異步方式工作。
每個支路通過軟件在線自監(jiān)控判斷本支路輸出信號是否有效：通道指令支路接受本通道和其它通道監(jiān)控支路的監(jiān)控，監(jiān)控結果通過總線傳輸；通道內(nèi)監(jiān)控支路計算兩個支路輸出的差值，同閾值進行比較，超過閾值則設置該通道輸出禁止。
3．4民機虛擬樣機驗證平臺實現(xiàn)分析
虛擬樣機驗證平臺可以針對具體飛控系統(tǒng)的設計需求，在飛控計算機系統(tǒng)虛擬樣機中完成了控制律和總體的余度結構設計后，進行具體的軟件結構設計、任務綜合、系統(tǒng)測試等工作。系統(tǒng)運行過程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)傳送給系統(tǒng)運行管理計算機，由它對數(shù)據(jù)進行實時存儲，必要時提供對仿真測試結果的圖形化顯示，由軟硬件設計人員共同分析得出設計建議。該驗證平臺運行在實驗室環(huán)境下，不能仿真飛控系統(tǒng)的壽命和故障率，但可以模擬飛控計算機系統(tǒng)的性能和行為，并可人為的用軟件方法設置故障，包括瞬態(tài)、間歇和永久性故障，檢驗系統(tǒng)的故障檢測邏輯功能，并能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)重構功能。
本文對民機非相似余度飛控計算機系統(tǒng)虛擬樣機開發(fā)和驗證平臺進行了研究，該平臺能夠模擬Boeing777. A340和BUAA民機型新方案的飛行控制計算機系統(tǒng)結構，仿真它們的工作過程，在實驗室環(huán)境中再現(xiàn)民機飛控計算機系統(tǒng)，對我國的研究工作提供借鑒和參考.平臺還具有以下功能:
(1)此平臺具有開放性和可擴展性，可以對其他開發(fā)人員提出的飛控計算機系統(tǒng)結構進行虛擬樣機實現(xiàn)、驗證和性能評估;
(2)采用虛擬樣機平臺進行飛控計算機系統(tǒng)的設計，可以在需求發(fā)生變化時快速構筑多種不同結構的飛控系統(tǒng)配置，支持多學科設計組在該環(huán)境下進行多種參數(shù)的設計，支持不同模塊間的并行設計和測試;
(3)基于此平臺飛控系統(tǒng)虛擬樣機實現(xiàn)過程中每一階段的設計，均可實現(xiàn)系統(tǒng)級的驗證，確認其設計功能的有效性，工作的穩(wěn)定性等;
(4)虛擬樣機平臺與驗證環(huán)境相聯(lián)，對飛控系統(tǒng)虛擬樣機進行模型校驗、驗證和確認。評價結果可供其它VP使用，或輸出到其它子系統(tǒng)的設計環(huán)境;
(5)基于PDM的體系結構對系統(tǒng)運行過程中產(chǎn)生的全部數(shù)據(jù)進行綜合管理。
本文介紹了虛擬樣機技術的概念，對飛控系統(tǒng)虛擬樣機技術的應用狀況進行了概述。為了深入分析Boeing, Airbus系列和BUAA民機型新方案的余度飛控計算機，對民機非相似余度飛控計算機系統(tǒng)的實驗平臺進行了研究，該平臺可以實現(xiàn)Boeing777, A340和BUAA民機型新方案的非相似余度飛控計算機系統(tǒng)的虛擬樣機，面向大型民機設計，符合飛控系統(tǒng)虛擬樣機技術的發(fā)展趨勢。
評論