分布式飞机机电综合系统半实物验证环境设计

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　　摘 要：文中针对现代飞机的分布式机电综合系统的要求，提出分布式飞机机电综合系统地面半实物仿真验证环境。以某型飞机分布式机电综合管理系统数字仿真及半实物硬件在环测试要求为牵引，明确分布式机电综合系统从数字验证到半实物验证的方法和过程。搭建分布式机电综合系统半实物验证环境，并对该环境整体能力进行验证测试，试验结果表明了涉及方法、验证系统是正确、合理的。
　　关键词：分布式系统;飞机机电综合;半实物仿真验证;试验验证;数字验证;在环测试
　　中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2020）04-00-04
　　0 引 言
　　飞机机载设备是指为了完成飞行任务、特定任务以及为保证飞行员与成员安全、舒适而装配在飞机上的、有独立功能装置的总称，主要由飞控系统、航电系统和机电系统（飞管系统）三大部分组成。机载设备作为飞机重要组成部分，正在发挥越来越重要的作用。其中，机载机电系统是保证飞机正常飞行以及飞机个功能安全运行的安全关键系统[1]。
　　随着信息技术、网络技术和计算机技术的飞速发展，机电系统向综合化、模块化、智能化方向快速发展，不再以单个机电系统或机电设备作为控制、管理及监视的对象，而是以全机整个机载机电系统作为控制、管理及监视的对象，提高了综合化的程度。从现代飞机机电综合管理系统发展情况可以看出，机电综合管理系统的体系结构经历了从部分机电系统综合、机电系统信息综合、分布式机电综合管理（采集、控制及解算）等体系结构的发展。新型分布式系统构型体系与传统的机电系统构型体系对系统半实物在环验证提出了新的要求及挑战。
　　对于新型的分布式机电系统架构，单个设备与单个系统不再是一对一的关系，传统单机单系统仿真激励方式将无法满足分布式机电系统仿真验证要求。现有试验能力既无力支持综合化机电系统的评估，也无法对综合化机电系统架构方案、整体综合功能及控制在环性能进行验证。同时，在以往的机电综合管理系统设计过程中，机载代码的开发验证往往要等到机载硬件开发完成之后才能进行，而大系统联合调试更是要等到所有成品交付后才能进行，造成各环节脱节并且相互制约，无法开展并行设计[2]。
　　自20世纪末，国外为适应先进飞机发展需要，加快了机电系统综合化发展步伐。美国通过20世纪80年代初的UMS计划，20世纪90年代的J/IST演示验证计划的实施，推动综合设计与验证技术逐步走向成熟，促进控制、功能、能量、物理综合化水平持续提高，带动机电系统整体性能、能源利用率、功重比和可靠性、维修性、测试性等不断提升。目前，美国正在实施的INVENT计划，将推进机电系统综合化向更高水平发展。在新型航空装备快速发展牵引下，随着机电领域一大批关键技术的逐步突破，国外飞机机电系统技术加速向综合化、多电化、智能化和高功重比等方向发展。
　　近十年来，欧美及俄罗斯均在机电系统领域开展了多项综合仿真验证项目的研究，并且支持了多个型号及预研项目，如INVENT，Clean sky等研究計划均是基于数学仿真和半实物仿真支持的。
　　研究资料表明，虚拟综合验证、仿真试飞、航空故障诊断、预测与健康管理技术已经成为国内外科学技术研究中的一个热点问题，受到了广泛的关注。
　　我国机电各分系统领域已广泛开展数字仿真，并取得了较多的成果，但综合仿真尚处于起步阶段;初步开展了建模技术方面的研究和系统仿真平台和建模工具的研究，虽然取得了一些成果，但是研究成果尚不能满足飞机机电系统研制的需要。目前，国内在机电系统综合设计能力和试验验证能力方面与国外均有明显差距，主要体现在以下方面。
　　（1）现有的机电系统数字化设计条件主要是单点工具，无法支撑从需求、功能、逻辑到物理整个研制过程，不能满足综合化机电系统的研制需求。
　　（2）仍旧以单独子系统级的半实物仿真、地面试验为主要手段，多子系统综合试验能力较弱，尚未形成适应系统级试验的全数字仿真能力。现有试验能力仅可以支撑综合化机电系统的评估，但是仍无法对综合化机电系统整体性能进行验证。
　　（3）综合化机电系统涉及到大量新仿真技术工具的应用。目前国内没有成熟的完整数字仿真设计、验证及评估的软件工具体系和架构。
　　综上，本文主要针对分布式机电系统综合设计确认、试验验证的需求，开展了基于分布式仿真架构的半物理验证平台技术研究，并提升了分布式机电系统综合设计和试验验证能力。一方面，能够支撑综合化机电系统从需求、功能、逻辑到物理整个研制过程;另一方面，能够在各个阶段对综合化机电系统从顶层架构、方案、系统功能及性能等进行全面完整的验证。
　　1 分布式机电综合系统架构
　　1.1 机电综合管理系统
　　机电综合管理系统是指为飞行提供能源、动力、保障等功能的机电系统，从物理、接口、功能和能量等方面实现总体整合化，实现原来各自机电子系统所有功能的一个综合化整体，这些子系统也称为公共设备子系统[3]。机电综合管理系统包括供配电系统、液压系统、燃油系统、环控系统、起落架装置系统、照明系统等。综合后的系统能使子系统在重量、架构、安全性、能效比、系统数据信息共享等方面实现最优化[4]。由于机电系统的物理接口特性相似，机电系统设备工作环境特性一致。物理接口特性反映了物理仿真、混合仿真的接口要求，包括输入/输出信号类型、数量、种类、驱动功率等;机电设备工作环境特性是指机电系统运行所需的操作指令输入、飞行包线变化、该系统运行对其他系统的依赖性等，是对机电系统运行环境的模拟;仿真模型类型特性是指模型类型， 即是连续系统模型，还是离散事件系统模型，以及模型动态过程的时问常数等[5]。所以机电系统仿真模型类型特性具有相似性、可以与其他系统的交联仿真功能进行一体化设计建模。
　　1.2 分布式机电综合系统
　　分布式机电综合管理系统构型体系采用2台核心处理机、若干台数据采集器、若干台控制驱动单元配合2台远程电气控制装置的构型进行各机电系统综合管理，系统构型如图1所示。 　　分布式飞机机电综合系统构型体系的特点为，采用区域分布的数据采集器完成各区域的传感器管理及数据采集工作，并将数据上传至核心处理机进行统一解算，核心处理机向分布式控制驱动单元发出控制指令完成用电设备控制功能。系统内设置的远程电气控制装置能够按区域直接完成某些具有高实时性要求的系统闭环控制功能。分布式机电系统构型体系特点概括为以下几点：
　　（1）分布式的数据采集器完成数据采集、冗余及上报;
　　（2）机电核心处理机完成各子系统的信息综合，系统控制及管理，故障监控及诊断;
　　（3）远程智能配电装置接收核心机发出的控制指令完成各种控制和配电功能;
　　（4）分布式闭环控制系统的时效性及控制能力主要受系统内参与控制的各设备响应速度及系统总线网络延迟的影响;
　　（5）分布式远程设备功能单一，重量轻、体积小、功耗小，同时可以通过余度设计保证系统的高安全性需求，是未来飞机机电系统发展的趋势。
　　2 分布式机电系统仿真模块划分
　　在分布式机电控制管理系统数字仿真向半实物仿真扩展时可分为两个阶段：系统数字仿真阶段和半实物仿真阶段。
　　系统数字仿真阶段系统仿真模块划分及实现如图2所示。在数字仿真阶段即可开展系统控制逻辑开发工作，并将系统控制器模型及被控系统物理效应模型进行统一编译并实时运行，通过宿主机可以得到真实的系统运行时间与逻辑的响应关系。
　　从数字仿真阶段过渡到半实物仿真阶段时，通过系统控制代码迁移技术，将系统控制逻辑迁移至真实机载控制器上，实时仿真目标机进行系统物理效应模型实时仿真，并通过真实物理接口与机载设备连接。完成半实物HIL硬件在环测试与验证工作。图3为半实物仿真阶段系统架构示意图。
　　3 分布式机电系统仿真验证
　　3.1 分布式仿真验证平台
　　按照图2、图3构建开放共享的实时网络、常用数据总线、机电综合仿真总控台及信息交联设备。该平台可以用于分布式机电系统的实时仿真平台，可以实现从模型仿真、快速控制原型、硬件在环试验直到系统级半实物交联试验。
　　当传统以太网协议同步情况变差时，会出现碰撞和冲突现象，严重影响测试系统中关键性任务流量的确定性和实时性，因此，保证分布式设备间的时钟同步[6]是分布式架构的半物理仿真验证环境需要重点解决的问题。分布式机电系统仿真验证平台采用新型实时以太网协议完成半物理验证环境平台构成。
　　3.2 试验平台组成与搭建
　　试验件包括以下设备、部件及仿真模型：机电控制管理系统半物理试验原理样件、仿真激励和试验系统仿真模型。机电管理半实物试验平台构成如图4所示。
　　分布式机电控制管理系统实时半物理HIL仿真试验平台分步实施，逐次迭代，依次进行数字仿真、半物理仿真交联测试，其在系统设计各阶段工作如下。
　　（1）系统方案及需求分析阶段。收集和整理系统设计需求，分析系统关键技术，建立系统数字仿真模型，对关键技术进行风险评估。
　　（2）详细初步设计阶段。系统方案确定后，对系统的详细初步设计进行建模、仿真，对系统功能、接口等进行仿真验证。
　　（3）详细设计阶段。系统设计进入详细设计阶段后，建立系统详细设计实时仿真模型，对系统性能进行硬件不在环的性能实时仿真验证。
　　（4）子系统测试阶段。系统机载设备交付后，在系统详细设计实时仿真模型中接入机载设备物理部件，进行子系统级半物理仿真验证。
　　4 半实物仿真平台功能测试
　　半实物仿真平台功能测试的原理为：在机电系统数字仿真环境，开发针对分布式机电系统测试的功能分配模型，并选取某典型模拟量通道接口。对该接口进行连续变化的波形仿真动态输出，在数字仿真模式下，观察并记录接口波形输出。其具体流程如图5所示，编译并实时化分布式机电系统测试的功能分配模型，在半实物仿真平台上位机进行周期运行，并通过实时以太网将典型模拟量通道接口控制指令发布至半实物仿真下位机，由半实物仿真下位机模拟量接口卡完成该信号的物理信号触发、调理及激励。并通过示波器对下位机该模拟量接口进行信号采集及记录。根据数字仿真的波形及示波器采集物理信号波形的比较可以得出半实物仿真平台的整体功能满足情况，以及半实物仿真平台模拟的整体失真率。
　　本例中采用两种数字仿真激励波形对半实物仿真平台进行激励测试。数字仿真激励波形1为正弦波信号，并采用0～10 V电压信号接口完成模拟量信号输出。数字仿真波形及示波器采集波形如图6、图7所示。
　　数字仿真激励波形2为正弦波信号，并叠加固定频率脉宽信号进行输出故障模拟，当脉宽信号为1时，模拟量接口数据改变为0，并同样采用0～10 V电压信号接口完成模拟量信号输出。数字仿真波形及示波器采集波形如图8和图9所示。
　　5 结 语
　　目前分布式机电综合管理系统需要控制机电系统主要为液压、燃油、环控及起落架收放系统，被控系统运动周期以秒为单位进行控制，分布式机电综合管理系统的RIU采集周期为200 ms。故分布式仿真架构的半物理验证环境的模型解算周期，实时以太网通信周期以及下位机驱动输出周期均为50 ms。增加集成周期长度能够有效降低同步带宽占用比，但是也会带来更大的时钟偏差，对时钟同步的性能造成影
　　响[7]。而半物理验证环境的最大延迟误差可基本满足分布式机电综合管理系统功能测试的要求。但是对于部分机电系统，如供电系统、刹车系统等，半物理验证环境的最大延迟误差不能满足系统在环测试的要求，后续应持续开展基于实时操作系统的半物理验证环境开发及构建，从模型实时解算、网络通信速率及下位机驱动同步开展相关工作，以逐步提升该平台的整体实时性仿真及测试能力。
　　参考文献
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　　[10]司冀，尧建平.飞机舵面地面试验加载作动筒多余附加力分析[J].物联网技术，2016，6（10）：102-104.
　　作者简介：苗 栋（1984—）男，陕西白水人，主要从事机电控制综合管理系统试验、测试与验证工作。
　　肖 刚（1974—）男，江苏苏州人，上海交通大学航空航天学院教授、博士生导师，主要从事航空电子综合与系统仿真研究工作。
　　余 海（1976—）男，陕西西安人，航空工业一飞院机电系统设计研究所高级工程师，主要从事供电系统设计与仿真工作。
　　田 蓓（1996—）女，陕西西安人，上海交通大学航空航天学院控制科学与工程专业博士研究生，研究方向为复杂产品建模与系统仿真。
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