1 飞控系统虚拟样机技术概况

        随着虚拟样机技术的成熟,国外已经将虚拟样机技术成功的应用到各种复杂系统中。飞行控制系统正向着数字化、综合化、智能化的方向发展,系统功能增加,构成复杂,和机上其它系统交联越来越多,设计难度越来越大。基于虚拟样机技术的设计方法为飞控系统的研发制造提供强有力的支持。

        本文分析了民机Boeing777、A340和BuAA民机型方案的非相似多余度飞控计算机系统,对民机非相似余度飞控计算机系统虚拟样机的验证平台进行研究。

1.1虚拟样机技术

        虚拟样机(Virtual Prototyping,简称VP)技术是一种基于产品的计算机仿真模型的数字化设计方法。这些数字模型即虚拟样机(virtual prototype),又称为虚拟原型机,将不同工程领域的开发模型结合在一起,从外观、功能和行为上模拟真实产品,产品在概念设计阶段就可以迅速地分析、比较多种设计方案,采用相应分析工具,对虚拟样机的功能,性能进行仿真分析,对虚拟样机的行为进行模拟分析,并基于分析结果,修改产品设计和相应的仿真分析模型。虚拟样机支持并行工程方法学,利用虚拟样机替代物理样机在产品全寿命周期过程中对产品进行创新设计、测试、评估和人员训练,可以缩短研发周期、提高产品质量。虚拟样机技术是基于先进的建模技术、多领域协同仿真技术、信息集成与管理技术、工程设计分析技术、交互式用户界面技术和虚拟现实技术的综合应用技术。

1.2飞控系统虚拟样机技术

        飞机是一种极其复杂的系统,在其设计、制造、试验和飞行过程中都将面临许多技术难题,特别是一些新的关键技术和试验项目能否达到预期的目标,依赖制造物理样机和进行飞行实验来验证的代价是非常大的。随着虚拟样机技术的飞速发展和广泛应用,飞机的设计、试验和运行在概念和方法上有了新的飞跃。通过建立虚拟样机来实现飞机的设计和试验已经成为主流方向之一。

        飞行控制系统作为飞机系统的重要一部分,也通过建立虚拟样机来实现。它可以在一定的程度上实现真实物理系统的功能,验证系统性能是否合乎设计要求,进行系统的性能评价,克服飞控系统物理样机花费昂贵、制造周期长等缺点。使用虚拟原型机可以在飞控系统的设计开发过程中实现真正的并行工程开发,满足多学科设计组的工作要求,提高产品的开发效率。虚拟样机技术可以贯穿于飞控系统研制的全过程,包括功能需求、软件设计(包括概要设计和详细设计)、设计实现、系统集成和测试验证等阶段。通过全生命周期的建模和仿真技术的应用,VP为我们提供了一个能够对飞控系统进行反复设计、测试、验证和评估的开发平台。

        Honeywell空间系统部门提出了用于飞行器开发过程的航空电子综合开发环境的概念,它综合了很多商业软件工具,各子系统设计并行进行,采用共同的数据库管理。系统的建模通过商用图形交互环境VAPS完成,设计者可以采用图形化的快速建模进行初始设计配置和系统性能分析。AIDE提供标准组件的软件模型库,支持Ada、C和FORTRAN语言,库中模型具有标准格式,使设计过程中所有的部门可直接获得。J佃E的硬件结构样机开发单元建立在商业硬件上,包括两部分:商业MIL-STD-1750A处理器,其上运行Ada语言的飞行控制软件;Intel 860的单板计算机,其上运行相关的环境仿真软件,称为仿真引擎。仿真引擎的底板总线基于MultibusⅡ,提供飞行处理器和仿真引擎间的数据通信。

        ADE综合了TLD(Ada开发系统)和Tartan(Ada编译系统)图形化调试器,提供了运行在飞行处理器和仿真引擎上的代码可视性。用户可同仿真引擎实时进行交互,提供了一个快速设备观察在用户定义的条件下整个系统的执行情况。使用Matrix X工具进行自动代码产生。

        美国国家航空实验室NLR的FBW的设计与实验环境具有模块化的结构和定义的界面。整个环境包括完全的飞机和飞行控制系统结构,具有图形化用户界面和线性化分析工具。FBW系统的设计过程自动化和性能评价通过开发的操作品质评价工具箱执行,这个工具箱是由一系列的功能组成,这些功能支持飞机性能的设计结果同设计需求进行比较分析。为了获得合适格式的分析数据,具有能够计算纵向和横向飞行品质的低阶等效系统,基于初始系列军用规范建立设计参数。所有工具都是在Matlab/Simulink环境中设计,支持设计数据的交换进行系统快速分析。仿真环境具有在线和离线分析能力;提供飞行可视化分析,数据以视频方式存储用于回放:飞行测试时进行故障设置和测试。

        JPL(Jet Propulsion Lab)开发的FST(Flight System Testbed)环境主要由COTS产品和JPL开发的工业标准的软件组成忉。该环境由模块化组件组成,定义和执行标准化实时的功能界面,具有标准网络接口和总线、基于32位CPU的商用实时操纵系统和支持广泛使用的语言(C、C++和LabView)。先采用以太网作为通信媒介,之后被1553B总线代替,并不影响飞行器和仿真子系统。FST由一些太空船的子系统组成,可以开发太空船单个子系统的仿真模型。提供系统设计的连贯性和标准的系统水平界面。通过TCP/IP以太网将地理位置不同的部门连接,支持方便的获得测试台活动需要的组件或子系统模型。JPL同工业部门协商和建立合作关系,进行新技术的评价。减少了工程成本,支持重复使用,对未来的任务需求评价新技术,发展测试环境的能力。基于以上虚拟样机技术在飞控系统的应用情况,飞控系统设计虚拟样机支持环境的特征如下:开发环境由模块化组件组成,可扩展和重复使用;使用COTS硬件、软件以及支持广泛使用的语言;标准实时的系统界面,在不影响系统性能情况下允许真实子系统或组件的直接代替;由统一数据库管理,网络连接飞控系统设计过程中各部门进行实时信息交换;图形化交互软件,可进行可视化建模和分析。基于虚拟样机技术在以上飞控系统中的应用情况,并随着虚拟样机技术的发展,飞控系统虚拟样机技术的发展方向如下: 

        (1)建立一个先进的、开放的、分布的和集成的支撑平台,工具集,支持飞控系统整个生命周期的设计过程和性能评估。

        (2)虚拟样机开发环境具有通用性和可重用性,能够完成多种不同类型飞控系统的虚拟样机,系统参数可调,模型具有良好的通用性、可移植性和可扩充性,在更改有关算法和数据库后,设计研究人员和使用方可对飞控系统进行二次开发和分析研究。

        (3)系统由大多数市场上COTS产品组成,采用模块化结构,具有易于扩展和可重复使用的特性。标准实时的系统界面,在不影响系统性能情况下允许真实子系统或组件的直接代替;

        (4)飞控系统设计过程中各学科组、各部门和工业可实时地参与飞控设计和试验,交换设计信息,具有图形化交互环境,可进行可视化建模和分析。

        (5)开发虚拟样机平台的关键技术,工程管理技术、多学科虚拟样机协同仿真技术、前期概念规划和后期性能评估技术、设计优化技术、虚拟环境技术、模型的校验、验证和确认技术。

        (6)可进行虚拟样机的可制造性、可维护性和可适用性评估。


 

        中国大型飞机研制重大科技专项已经正式立项,民用飞机生产要达到当前国际商业和经济环境的要求,迫使各个开发商在开发过程中减少开发代价、缩短生产周期。采用虚拟样机技术是中国大型飞机研制中的必然选择。

2非相似余度飞控计算机系统介绍

        民用飞机从开始使用电传操纵系统后,由于更高的可靠性要求,较多使用非相似余度方案。

2.1 Boeing777的3×3余度主飞控计算机

        Boeing777的主飞控计算机系统包括3个完全相同的数字式计算机通道,每个通道有3个非相似的支路,各个通道之间采用ARINC629数据总线通讯。每个支路软件都采用Ada编写,但采用三种不同的Ada编译器编译。支路的输入输出部分包括3个ARINC629终端,其中2个用于接收,1个用于发送/接收。Boeing777主飞控计算机结构如图1所示。

        主飞控计算机的3个通道全部投入工作,每个PFC都使用相同的输入数据解算控制律,计算舵面控制指令。PFC和总线被分为左、中、右三组,PFC同时监听三组总线,但只向同组的总线传送数据,当一组总线失效后,不会影响另外两组的正常工作。飞行员指令通过总线输入到各个PFC。PFC的三个支路的处理器模块在功能上完全相同。这三个支路分别被分配为指令支路、备用支路和监控支路。指令支路解算控制律,将输出传送到指定的总线。其它2个支路分别执行监控功能和支路余度管理任务,它们都进行和指令支路相同的运算,但不向总线发送控制指令,只是向总线发送支路间和通道问的交换信息。一旦指令支路失效,其任务由备用支路取代。剩下2个支路任意一个再次发生故障都将导致PFC输出断开。

        个PFC内的支路同步工作,三个通道以异步方式工作。通道间数据的比较和监控以及系统状态数据交换通过同组的数据总线进行,通道内各支路间数据比较和监控通同组的数据总线进行。通道内支路间的专用总线,主要实时钟同步和支路状态交换,决定是否发送支路禁止和告警号等功能。

        系统具有多级表决面,支路依靠自监控和在线监控确认硬件正确性;每个支路接收来自通道内其它两个支路的离信号决定是否对该支路进行支路禁止和失效告警,通过同总线进行支路间的数据比较和监控;指令支路计算出的关输出参数同其它两个通道指令支路对应的输出组进行中选择。

2.2 A340的非相似多余度飞控计算机系统

        A340的飞控计算机系统包括3个飞控主计算机(FCPCs)和2个飞控辅助计算机(FCSCs),还有两个飞控制数据集中器(FCDCs)和两个缝翼,襟翼计算机(SFCCs)。系统任务在FCPCs和FCSCs之间分配,任何时都有一个计算机处于运行状态,另外一计算机处于备份状。每个计算机包含两个支路:指令支路和监控支路,两支的功能不同。指令支路运行分配给该计算机的任务,监控路确保指令支路的正确性。飞控计算机采用了非相似的硬和软件:FCPCs和FCSCs使用非相似的处理器;指令支和监控支路使用不同的编程语言。飞控计算机内部结构如图2示。

        FCCs解算控制律给作动器发送指令,控制飞机的滚、偏航和俯仰,FCSCs处于备份状态,当FCPCs失效,FCSCs投入运行。当计算机的两个支路的输出不一致时,该计算机被切除,剩下的计算机按照预先规定的优先级顺序投入运行。A340的飞控计算机系统使用ARINC429总线进行信息传输。

2.3 BUAA余度飞控计算机(RFCC-CA)新方案的总体介绍

        本课题组提出的Bu从余度飞控计算机新方案的总体结构如图4所示。采用四套非相似处理器的计算机构筑四余度系统,每个通道有两个支路,指令支路和监控支路。每个支路上运行两套控制软件:主模块和备用模块。主模块和备用模块在功能上完全相同,具有三轴全权限工作能力。同一通道内的两个支路上运行的主模块软件包不同,但都采用相同的软件包作为备份,共使用了三种不同的软件包,三个软件包采用了差异性设计方法。ACE提供RFCC-CA的离散和模拟接口。每个ACE包含有4个终端控制器,3个接收,1个发送/接收。


         每套计算机内,指令支路和监控支路同步运行,使用相同的数据进行控制律计算。指令支路执行控制功能,发送控制指令。指令支路的主模块失效后,备用模块投入运行。监控支路监控指令支路的运行,两个支路输出的差值超过规定的阈值,则判定该通道失效,切断该通道的输出。RFCC-CA的四个通道按照异步方式全部投入工作,任意一个通道都能控制飞机飞行。每套计算机和AcE都从四余度总线接受数据,但只向同组的总线发送数据。当本组的计算机或者总线失效后,ACE从其它总线选择控制输入。本组的ACE失效后,它控制的控制面的控制权限由其它的ACE代替。当该计算机失效后,其控制任务由其它的计算机替代,替代顺序由系统设计人员事先规定。计算机控制权限分配、计算机控制任务的替换关系以及液压源分配方式如图5示。


        每个支路依靠自监控和在线监控判断本支路的输出信号是否有效。本通道的监控支路不仅监控通道内的指令支路,还监控其它通道的指令支路。指令支路和监控支路构成比较监控结构保证输出指令的正确。

 

3 民机飞控计算机系统虚拟样机开发与验证平台研究

        为了深入分析B0eing、Airbus系列和BUAA余度飞控计算机,比较诸方案的优缺点,为我国大型民机的研究提出有益的建议,根据以上飞控系统虚拟样机技术的发展趋势,本课题组对民机飞控计算机系统虚拟样机的验证平台进行研究,该平台可以实现Boeing777、A340和BUAA民机型非相似余度飞控计算机系统虚拟样机,从功能和行为上模拟真实的飞控计算机系统。

        本文使用lO台PC结构工控机构筑虚拟飞控计算机,选用两种不同类型的处理器芯片,Intel和PowerPC。通道间的数据总线采用以太网,使用ARINC629总线协议进行通讯,实现通道间和通道内输出数据比较的功能。通道内各支路之间由于处理的信息量不大,采用计算机串行接口进行通讯,实现各支路时钟同步、系统状态数据交换等功能,来发送支路禁止或失效告警信号。虚拟样机配置方案如图6示。

        数据综合处理计算机完成系统控制、管理功能虚拟飞控计算机的所有数据接口都通过它与验证环境相联.其主要功能包括:系统结构设置和管理,余度信号处理,故障设置、监控,系统运行状态监控、显示等。初始化时对虚拟飞控计算机进行配置,包括总体余度结构、调度方案、硬件处理能力、AID和D/A字长精度等,运行时作为电子作动器使用,对飞行员输入指令进行A/D转换并将生成的多余度数据发送到各个模拟的余度总线上,对虚拟飞控计算机输出的余度数据进行表决和D/A转换,并且负责直观显示各通道数据,运行结束时管理虚拟飞控计算机等。系统运行状态显示计算机,负责显示各个通道任务的运行状态、CPU、内存状态等。各支路运行过程中产生的数据上传到系统运行状态显示计算机上,用来监控其运行。系统运行管理计算机用于对虚拟样机开发过程中的文档、参数和工作流程进行管理。10台工控机共用一台显示器和键盘,通过转换开关切换。

        虚拟余度飞控计算机的运行软件环境为VxWorks实时操作系统,软件程序由3个设计人员用C语言编制相同功能的不同版本算法程序,实现通道内支路软件非相似.虚拟样机验证平台的软件系统包括系统管理软件、余度管理软件和应用软件,各软件由不同的软件模块组成。系统管理软件包括同步和异步、同步支路通讯、异步通道通讯、I/O管理、故障设置和记录。余度管理软件包括计算机BIT,输入监控表决、输出监控表决、故障检测隔离和系统重构。应用软件包括纵向和横侧向控制律。系统调度运行利用了实时操纵系统Vxworks中基于优先级的抢占式调度算法和基于时间片的轮转调度算法相结合的任务调度机制。系统运行状态显示和数据综合处理计算机的软件程序采用VC++开发。系统运行管理计算机基于PDM软件,对虚拟样机开发过程中产生的全部数据进行综合管理。

        运行开始时由数据综合处理计算机进行系统结构配置。运行过程中,各工控机从总线上接收飞行员指令,并接收来自信息管理系统的飞机姿态和外部大气数据等信息进行控制律解算,表决后的结果发送到总线上。数据综合处理计算机从总线上接收输出数据,并发送给舵面仿真子系统。舵面偏移量通过总线以数字量传送到仿真计算机系统。仿真计算机实现飞机运动的实时仿真。系统状态显示计算机将各个虚拟飞控计算机上传的数据进行在线显示,显示的数据同时被记录。

3.1 Boeing777飞控计算机系统的虚拟样机实现

        用上述提出的虚拟样机平台实现Boeing777飞控计算机系统的虚拟样机如下图7示。

        初始化时数据综合处理计算机对各支路进行初始化参数设置,配置为3X3余度结构形式。支路I/O实现为3个总线终端,1个发询接收,2个接收。支路1至支路9全部投入工作,每个工控机使用完全相同的输入数据解算控制律,计算舵面控制指令。

        PFC的支路软件进行在线自检测,判断本支路信号是否有效。监控支路监控结果反映在状态字中,包括本通道指令支路是否有效、支路失效告警和禁止信号,它作为消息的一部分通过总线传输。各通道指令支路的输出同其它两个PFC的输出数据进行中值表决,表决结果发送到指定总线上。

3.2 A340的非相似多余度飞控计算机系统的虚拟样机实现

        A340的飞控计算机系统虚拟样机实现如下图8示。A340飞控计算机系统虚拟样机由10个支路组成。系统任务在KPcs和FCSCs之间分配,计算机的功能不同,运行的软件不同。任何时刻都有一个计算机处于运行状态,另外一计算机处于熟备份状态。每个计算机也包含两个支路:指令支路和监控支路。由于A340飞控计算机内两个支路的处理器类型相同,实现时也可以用同一台计算机同时模拟这两个支路,软件上采用多线程编程的方法,用不同版本的支路软件实现非相似,同时FCPC和FCSC的处理器非相似,保证硬件非相似。

        两个支路之间通过计算机串行接口进行通信。指令支路输出数据到总线上,监控支路软件也解算控制律,但只是监控指令支路的运行,不向总线发送控制指令。比较计算机的两个支路的输出,如果它们输出的差值超过闽值时,就切断此计算机输出,由备用计算机代替,替代顺序由开发人员预先指定。

3.3 BUAA余度飞控计算机(RFCC-CA)新方案的虚拟样机实现

         BUAA余度飞控计算机(RFCC-CA)新方案的虚拟样机实现如图9示.

        余度飞控计算机系统由四个通道组成,每个通道有两个支路:指令支路和监控支路。所有支路使用相同的数据进行控制律计算。支路I,o端的总线仿真卡实现为4个终端,3个用于接收,1个用于发送/接收。通道内支路同步工作,通道间按照异步方式工作。

        每个支路通过软件在线自监控判断本支路输出信号是否有效:通道指令支路接受本通道和其它通道监控支路的监控,监控结果通过总线传输;通道内监控支路计算两个支路输出的差值,同阈值进行比较,超过阈值则设置该通道输出禁止。

 

3.4民机虚拟样机验证平台实现分析


        虚拟样机验证平台可以针对具体飞控系统的设计需求,在飞控计算机系统虚拟样机中完成了控制律和总体的余度结构设计后,进行具体的软件结构设计、任务综合、系统测试等工作。系统运行过程中产生的大量数据传送给系统运行管理计算机,由它对数据进行实时存储,必要时提供对仿真测试结果的图形化显示,由软硬件设计人员共同分析得出设计建议。该验证平台运行在实验室环境下,不能仿真飞控系统的寿命和故障率,但可以模拟飞控计算机系统的性能和行为,并可人为的用软件方法设置故障,包括瞬态、间歇和永久性故障,检验系统的故障检测逻辑功能,并能够实现系统重构功能。

        本文对民机非相似余度飞控计算机系统虚拟样机开发和验证平台进行了研究,该平台能够模拟Boeing777. A340和BUAA民机型新方案的飞行控制计算机系统结构,仿真它们的工作过程,在实验室环境中再现民机飞控计算机系统,对我国的研究工作提供借鉴和参考.平台还具有以下功能:

(1)此平台具有开放性和可扩展性,可以对其他开发人员提出的飞控计算机系统结构进行虚拟样机实现、验证和性能评估;

(2)采用虚拟样机平台进行飞控计算机系统的设计,可以在需求发生变化时快速构筑多种不同结构的飞控系统配置,支持多学科设计组在该环境下进行多种参数的设计,支持不同模块间的并行设计和测试;

(3)基于此平台飞控系统虚拟样机实现过程中每一阶段的设计,均可实现系统级的验证,确认其设计功能的有效性,工作的稳定性等;

(4)虚拟样机平台与验证环境相联,对飞控系统虚拟样机进行模型校验、验证和确认。评价结果可供其它VP使用,或输出到其它子系统的设计环境;

(5)基于PDM的体系结构对系统运行过程中产生的全部数据进行综合管理。

4结论

        本文介绍了虚拟样机技术的概念,对飞控系统虚拟样机技术的应用状况进行了概述。为了深入分析Boeing, Airbus系列和BUAA民机型新方案的余度飞控计算机,对民机非相似余度飞控计算机系统的实验平台进行了研究,该平台可以实现Boeing777, A340和BUAA民机型新方案的非相似余度飞控计算机系统的虚拟样机,面向大型民机设计,符合飞控系统虚拟样机技术的发展趋势。