一種可配置余度等級的控制律驗證平臺及方法技術

本發明專利技術屬于飛機控制系統領域，提出一種可配置余度等級的控制律驗證平臺及方法，驗證平臺包括：4余度實時仿真節點，軟件加載/系統測試計算機，以太網和反射內存網，其中，4余度實時仿真節點由4臺功能、性能、接口和組成完全相同的嵌入式計算機構成，運行VxWork實時操作系統；計算機之間通過CCDL進行數據交叉傳輸，CCDL還包括一路同步電纜，用于仿真節點間的時鐘同步管理；實時仿真節點運行飛控系統算法，并通過物理I/O接口輸入和輸出數據。

Control law verification platform and method capable of configuring redundancy grade

The invention belongs to the field of aircraft control system, proposed a configurable redundancy level control law and method of verification platform, verification platform including: more than 4 of the real-time simulation node, software loading / system test computer, Ethernet and reflective memory network, in which more than 4 of the real-time simulation by 4 node function, performance, interface and the composition of embedded computer exactly the same form, running the VxWork real-time operating system; computer data transmission between the cross through CCDL, CCDL also includes a sync cable, used for clock synchronization management between simulation nodes; node operation algorithm simulation of flight control system in real time, and through the physical interface of the I/O input and output data.

【技術實現步驟摘要】
一種可配置余度等級的控制律驗證平臺及方法
本專利技術屬于飛機控制系統領域，適用于飛機飛控系統及其它高安全、高可靠領域的多余度控制系統的控制律算法驗證。
技術介紹
控制律是實現控制系統控制功能的核心邏輯算法。飛控系統的可靠運行是飛行安全的保障，其微小故障都有可能引發飛機災難性的后果。為了提高飛控系統的可靠性，在元器件基本可靠性一定的前提下，其核心部件如傳感器、計算機、作動器等都采用了余度技術。當前，控制律設計階段的早期驗證工作都是通過全數字手段進行的算法仿真，驗證的目標僅僅局限在控制算法的正確性上，而對于多余度系統配置所帶來的余度管理、數據傳輸、同步、實時性、多控制通道協調等關鍵技術不能得到充分驗證。
技術實現思路
本專利技術的目的：提出一種可配置余度等級的控制律驗證平臺及方法，滿足在控制律設計階段進行控制律多余度實時系統相關驗證的需求。本專利技術的技術方案：一種可配置余度等級的控制律驗證平臺，包括：4余度實時仿真節點，軟件加載/系統測試計算機，以太網和反射內存網，其中，4余度實時仿真節點由4臺功能、性能、接口和組成完全相同的嵌入式計算機構成，運行VxWork實時操作系統；計算機之間通過CCDL進行數據交叉傳輸，CCDL還包括一路同步電纜，用于仿真節點間的時鐘同步管理；實時仿真節點運行飛控系統算法，并通過物理I/O接口輸入和輸出數據；軟件加載和系統測試計算機，完成飛行控制算法的matlab/Simulink建模設計，并將算法模型自動轉化為C語言實時代碼；通過以太網與4余度實時仿真節點連接，將代碼同步下載到4余度實時仿真節點，完成嵌入式軟件裝載，并且監控實時仿真節點中軟件運行情況；軟件加載和系統測試計算機還通過反射內存網與4余度實時仿真節點連接，用于記錄和分析數據。具體的，實時仿真節點包括：實時仿真節點由操作系統完成硬件管理、健康檢測和任務管理；硬件管理功能完成處理器、存儲器、接口電路板的管理與檢測；在VxWorks操作系統環境下，飛控算法模型是作為實時任務由任務管理功能完成調度與運行，并且以多任務方式對接口、整體系統運行、硬件驅動、異常處理、任務間通信進行調度與管理；健康檢測功能提供處理器和存儲器的實時狀態監控，以及以太網和反射內存網的狀態監控；通過matlab/Simulink與實時系統接口，將使用Matlab開發的飛控系統算法模型自動生成運行于VxWorks操作系統環境下的實時代碼并完成模型下載任務；監控軟件接口，是監控軟件與實時仿真節點的軟件接口，具備多節點監控能力；監控軟件根據實時仿真節點的IP地址區分各個仿真節點；通過監控軟件在飛控系統算法建模過程中進行監控點設置，在對飛控系統進行故障仿真時通過監控軟件接口完成對控制信號的故障注入；完成模型運行控制、模型數據采集、監控、存儲、分析、實時系統運行監控；飛控系統與外部系統接口，用于飛控系統與模擬器或其他外部仿真系統交聯；飛控系統建?？蚣埽峁╋w控系統算法建模的軟件框架，針對不同飛機的飛控系統仿真算法設計，在本模型框架下進行；包括輸入/輸出兩級監控表決面、控制律和故障綜合功能；監控表決功能由4余度實時仿真節點同步、節點間數據交叉傳輸和余度信號比較表決監控功能構成；飛控系統建?？蚣芡瓿筛鞴δ苣K間數據通信和調度，控制算法根據不同飛控系統的特性配置信號數量、類型、比較表決監控策略，設計控制律和故障綜合算法。進一步的，每個實時仿真節點作為一路控制通道，CCDL負責4余度實時仿真節點間通信；每個通道運行相同的控制算法模型，并且判斷4個通道運算結果的正確性，構成相似余度配置；4通道必須同時開始仿真，并且每一個實時仿真步長都同步，如果發現任何一個實時仿真節點出現失步則上報失步故障；系統通過CCDL中包含的時鐘同步電纜實現系統同步管理；每個仿真周期開始，要求4通道同步一次，確保4個通道在同一時刻進行采樣；計算結果輸出之前各通道同步一次，確保每個通道信號在同一時刻被輸出；各通道的時鐘誤差不得累計，當通道之間的時鐘誤差超過規定范圍時，則檢測出失步通道；設置采集輸入信號和結果輸出信號兩級表決面，采取投票表決策略，按照少數服從多數的原則將信號值直接比較；每個節點首先交叉數據傳輸模塊中得到的其它節點的數據，然后分別統計節點1、2、3、4的數據在誤差設置范圍內的得票情況，最后按照少數服從多數的原則將得票最多的數據輸出。一種可配置余度等級的控制律驗證方法，包括：(1)4余度飛控實時仿真系統與模擬器交聯；(2)生成實時系統仿真模型；(3)對實時系統仿真模型分析；其中，步驟(1)包括：(11)利用matlab/Simulink搭建飛控系統算法模型；(12)在matlab/Simulink中編寫測試腳本文件，完成模型各項功能和性能測試；(13)利用C語言編寫飛控仿真系統與模擬器的反射內存通信接口程序；(14)根據模擬器仿真需求配置“仿真系統軟件框架”；(15)根據動態測試要求配置“監控軟件”的matlab/Simulink模型監控點；(16)通過系統提供的編譯工具形成實時系統目標碼；(17)通過下載管理器完成4余度仿真節點的實時目標碼同步下載；(18)通過上述步驟完成了飛控系統仿真建模和系統軟件編譯加載，最后，通過模擬器的運行閉環動態測試飛控系統功能和性能；步驟(2)包括：(21)生成監控軟件，監控軟件功能包括：控制模型的運行、停止和暫停；數據監控、記錄和分析；系統狀態實時監控；系統健康檢測；(22)軟件整體調度、任務管理、接口管理，數據傳輸管理、時鐘同步管理、硬件資源管理由“仿真系統軟件框架”自動完成，用戶進行飛控算法設計，包括控制律和余度軟件設計；(23)使用matlab環境設計的“用戶仿真模型”和人工編寫的“用戶C代碼”通過實時代碼生成軟件RTI自動生成實時代碼，并與“仿真系統軟件框架”通過“C編譯器”進行聯編，形成VxWorks實時操作系統目標碼，其中“仿真系統軟件框架”包括了用戶根據需要設置的模型監控信息和運行控制信息；這些目標碼通過“下載管理器”同步下載到4余度仿真節點，仿真模型運行過程中的信息反饋給“監控軟件”提供給用戶測試與監控；步驟(3)包括：(31)修改Simulink模型屬性，將代碼自動剖析過程加入模型屬性中；(32)通過RTI自動生成代碼；(33)自動模型剖析剖析RTI生成的所有文件，并將獲得的模型變量和模型層次結構保存到指定文件中；(34)監控軟件打開模型剖析的變量，獲得所有模型變量數據用于仿真試驗分析；(35)記錄并永久性的保存實時仿真數據；(36)記錄的數據采用Matlab的*.mat文件格式存儲；(37)在Matlab上編寫滿足使用要求的數據分析軟件。本專利技術的優點：(1)本專利技術能夠在系統方案論證階段提供余度等級和余度管理算法的評估結果，對方案設計起到非常重要的積極作用。(2)本專利技術提供最高可支持4余度的可配置余度等級的控制律測試驗證平臺，能夠根據系統設計要求進行靈活的余度等級配置。滿足控制律設計早期階段開展控制律算法在多余度環境下進行相關驗證的需求。(3)本專利技術提供控制律軟件的實時運行環境，支持matlab/Simulink開發的控制律算法模型自動下載轉換為VxWorks系統下的實時軟件，能夠對控制律算法快速方便的進行實時驗證。(4)本專利技術提供實時多余度本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種可配置余度等級的控制律驗證平臺，其特征在于，包括：4余度實時仿真節點，軟件加載/系統測試計算機，以太網和反射內存網，其中，4余度實時仿真節點由4臺功能、性能、接口和組成完全相同的嵌入式計算機構成，運行VxWork實時操作系統；計算機之間通過CCDL進行數據交叉傳輸，CCDL還包括一路同步電纜，用于仿真節點間的時鐘同步管理；實時仿真節點運行飛控系統算法，并通過物理I/O接口輸入和輸出數據；軟件加載和系統測試計算機，完成飛行控制算法的matlab/Simulink建模設計，并將算法模型自動轉化為C語言實時代碼；通過以太網與4余度實時仿真節點連接，將代碼同步下載到4余度實時仿真節點，完成嵌入式軟件裝載，并且監控實時仿真節點中軟件運行情況；軟件加載和系統測試計算機還通過反射內存網與4余度實時仿真節點連接，用于記錄和分析數據。

【技術特征摘要】
1.一種可配置余度等級的控制律驗證平臺，其特征在于，包括：4余度實時仿真節點，軟件加載/系統測試計算機，以太網和反射內存網，其中，4余度實時仿真節點由4臺功能、性能、接口和組成完全相同的嵌入式計算機構成，運行VxWork實時操作系統；計算機之間通過CCDL進行數據交叉傳輸，CCDL還包括一路同步電纜，用于仿真節點間的時鐘同步管理；實時仿真節點運行飛控系統算法，并通過物理I/O接口輸入和輸出數據；軟件加載和系統測試計算機，完成飛行控制算法的matlab/Simulink建模設計，并將算法模型自動轉化為C語言實時代碼；通過以太網與4余度實時仿真節點連接，將代碼同步下載到4余度實時仿真節點，完成嵌入式軟件裝載，并且監控實時仿真節點中軟件運行情況；軟件加載和系統測試計算機還通過反射內存網與4余度實時仿真節點連接，用于記錄和分析數據。2.如權利要求1所述的一種可配置余度等級的控制律驗證平臺，其特征在于，實時仿真節點包括：實時仿真節點由操作系統完成硬件管理、健康檢測和任務管理；硬件管理功能完成處理器、存儲器、接口電路板的管理與檢測；在VxWorks操作系統環境下，飛控算法模型是作為實時任務由任務管理功能完成調度與運行，并且以多任務方式對接口、整體系統運行、硬件驅動、異常處理、任務間通信進行調度與管理；健康檢測功能提供處理器和存儲器的實時狀態監控，以及以太網和反射內存網的狀態監控；通過matlab/Simulink與實時系統接口，將使用Matlab開發的飛控系統算法模型自動生成運行于VxWorks操作系統環境下的實時代碼并完成模型下載任務；監控軟件接口，是監控軟件與實時仿真節點的軟件接口，具備多節點監控能力；監控軟件根據實時仿真節點的IP地址區分各個仿真節點；通過監控軟件在飛控系統算法建模過程中進行監控點設置，在對飛控系統進行故障仿真時通過監控軟件接口完成對控制信號的故障注入；完成模型運行控制、模型數據采集、監控、存儲、分析、實時系統運行監控；飛控系統與外部系統接口，用于飛控系統與模擬器或其他外部仿真系統交聯；飛控系統建模框架，提供飛控系統算法建模的軟件框架，針對不同飛機的飛控系統仿真算法設計，在本模型框架下進行；包括輸入/輸出兩級監控表決面、控制律和故障綜合功能；監控表決功能由4余度實時仿真節點同步、節點間數據交叉傳輸和余度信號比較表決監控功能構成；飛控系統建?？蚣芡瓿筛鞴δ苣K間數據通信和調度，控制算法根據不同飛控系統的特性配置信號數量、類型、比較表決監控策略，設計控制律和故障綜合算法。3.如權利要求2所述的一種可配置余度等級的控制律驗證平臺，其特征在于，每個實時仿真節點作為一路控制通道，CCDL負責4余度實時仿真節點間通信；每個通道運行相同的控制算法模型，并且判斷4個通道運算結果的正確性，構成相似余度配置；4通道必須同時開始仿真，并且每一個實時仿真步長都同步，如果發現任何一個實時仿真節點出現失步則上報失步故障...

【專利技術屬性】
技術研發人員：李育，安剛，李欣，
申請(專利權)人：中國航空工業集團公司西安飛機設計研究所，
類型：發明
國別省市：陜西,61