民機飛控計算機系統虛擬樣機驗證平臺研究
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隨著虛擬樣機技術的成熟，國外已經將虛擬樣機技術成功的應用到各種復雜系統中。飛行控制系統正向著數字化、綜合化、智能化的方向發展，系統功能增加，構成復雜，和機上其它系統交聯越來越多，設計難度越來越大。基于虛擬樣機技術的設計方法為飛控系統的研發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，對民機非相似余度飛控計算機系統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)技術是一種基于產品的計算機仿真模型的數字化設計方法。這些數字模型即虛擬樣機(virtual prototype)，又稱為虛擬原型機，將不同工程領域的開發模型結合在一起，從外觀、功能和行為上模擬真實產品，產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品全壽命周期過程中對產品進行創新設計、測試、評估和人員訓練，可以縮短研發周期、提高產品質量。虛擬樣機技術是基于先進的建模技術、多領域協同仿真技術、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實技術的綜合應用技術。
1．2飛控系統虛擬樣機技術
飛機是一種極其復雜的系統，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飛機的設計和試驗已經成為主流方向之一。
飛行控制系統作為飛機系統的重要一部分，也通過建立虛擬樣機來實現。它可以在一定的程度上實現真實物理系統的功能，驗證系統性能是否合乎設計要求，進行系統的性能評價，克服飛控系統物理樣機花費昂貴、制造周期長等缺點。使用虛擬原型機可以在飛控系統的設計開發過程中實現真正的并行工程開發，滿足多學科設計組的工作要求，提高產品的開發效率。虛擬樣機技術可以貫穿于飛控系統研制的全過程，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、系統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對飛控系統進行反復設計、測試、驗證和評估的開發平臺。
Honeywell空間系統部門提出了用于飛行器開發過程的航空電子綜合開發環境的概念，它綜合了很多商業軟件工具，各子系統設計并行進行，采用共同的數據庫管理。系統的建模通過商用圖形交互環境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單元建立在商業硬件上，包括兩部分：商業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據通信。
ADE綜合了TLD(Ada開發系統)和Tartan(Ada編譯系統)圖形化調試器，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的執行情況。使用Matrix X工具進行自動代碼產生。
美國國家航空實驗室NLR的FBW的設計與實驗環境具有模塊化的結構和定義的界面。整個環境包括完全的飛機和飛行控制系統結構，具有圖形化用戶界面和線性化分析工具。FBW系統的設計過程自動化和性能評價通過開發的操作品質評價工具箱執行，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據，具有能夠計算縱向和橫向飛行品質的低階等效系統，基于初始系列軍用規范建立設計參數。所有工具都是在Matlab/Simulink環境中設計，支持設計數據的交換進行系統快速分析。仿真環境具有在線和離線分析能力；提供飛行可視化分析，數據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)開發的FST(Flight System Testbed)環境主要由COTS產品和JPL開發的工業標準的軟件組成忉。該環境由模塊化組件組成，定義和執行標準化實時的功能界面，具有標準網絡接口和總線、基于32位CPU的商用實時操縱系統和支持廣泛使用的語言(C、C++和LabView)。先采用以太網作為通信媒介，之后被1553B總線代替，并不影響飛行器和仿真子系統。FST由一些太空船的子系統組成，可以開發太空船單個子系統的仿真模型。提供系統設計的連貫性和標準的系統水平界面。通過TCP／IP以太網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模型。JPL同工業部門協商和建立合作關系，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，發展測試環境的能力。基于以上虛擬樣機技術在飛控系統的應用情況，飛控系統設計虛擬樣機支持環境的特征如下：開發環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；標準實時的系統界面，在不影響系統性能情況下允許真實子系統或組件的直接代替；由統一數據庫管理，網絡連接飛控系統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。基于虛擬樣機技術在以上飛控系統中的應用情況，并隨著虛擬樣機技術的發展，飛控系統虛擬樣機技術的發展方向如下：
(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，支持飛控系統整個生命周期的設計過程和性能評估。
(2)虛擬樣機開發環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的虛擬樣機，系統參數可調，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據庫后，設計研究人員和使用方可對飛控系統進行二次開發和分析研究。
(3)系統由大多數市場上COTS產品組成，采用模塊化結構，具有易于擴展和可重復使用的特性。標準實時的系統界面，在不影響系統性能情況下允許真實子系統或組件的直接代替；
(4)飛控系統設計過程中各學科組、各部門和工業可實時地參與飛控設計和試驗，交換設計信息，具有圖形化交互環境，可進行可視化建模和分析。
(5)開發虛擬樣機平臺的關鍵技術，工程管理技術、多學科虛擬樣機協同仿真技術、前期概念規劃和后期性能評估技術、設計優化技術、虛擬環境技術、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://www.j9360.com/article/201706/353820.htm 中國大型飛機研制重大科技專項已經正式立項，民用飛機生產要達到當前國際商業和經濟環境的要求，迫使各個開發商在開發過程中減少開發代價、縮短生產周期。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介紹
民用飛機從開始使用電傳操縱系統后，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包括3個完全相同的數字式計算機通道，每個通道有3個非相似的支路，各個通道之間采用ARINC629數據總線通訊。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個用于發送／接收。Boeing777主飛控計算機結構如圖1所示。
個PFC內的支路同步工作，三個通道以異步方式工作。通道間數據的比較和監控以及系統狀態數據交換通過同組的數據總線進行，通道內各支路間數據比較和監控通同組的數據總線進行。通道內支路間的專用總線，主要實時鐘同步和支路狀態交換，決定是否發送支路禁止和告警號等功能。
系統具有多級表決面，支路依靠自監控和在線監控確認硬件正確性；每個支路接收來自通道內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據比較和監控；指令支路計算出的關輸出參數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)，還有兩個飛控制數據集中器(FCDCs)和兩個縫翼，襟翼計算機(SFCCs)。系統任務在FCPCs和FCSCs之間分配，任何時都有一個計算機處于運行狀態，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；指令支和監控支路使用不同的編程語言。飛控計算機內部結構如圖2示。
FCCs解算控制律給作動器發送指令，控制飛機的滾、偏航和俯仰，FCSCs處于備份狀態，當FCPCs失效，FCSCs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定的優先級順序投入運行。A340的飛控計算機系統使用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，每個通道有兩個支路，指令支路和監控支路。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個發送／接收。
每套計算機內，指令支路和監控支路同步運行，使用相同的數據進行控制律計算。指令支路執行控制功能，發送控制指令。指令支路的主模塊失效后，備用模塊投入運行。監控支路監控指令支路的運行，兩個支路輸出的差值超過規定的閾值，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據，但只向同組的總線發送數據。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，替代順序由系統設計人員事先規定。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。
每個支路依靠自監控和在線監控判斷本支路的輸出信號是否有效。本通道的監控支路不僅監控通道內的指令支路，還監控其它通道的指令支路。指令支路和監控支路構成比較監控結構保證輸出指令的正確。
3 民機飛控計算機系統虛擬樣機開發與驗證平臺研究
為了深入分析B0eing、Airbus系列和BUAA余度飛控計算機，比較諸方案的優缺點，為我國大型民機的研究提出有益的建議，根據以上飛控系統虛擬樣機技術的發展趨勢，本課題組對民機飛控計算機系統虛擬樣機的驗證平臺進行研究，該平臺可以實現Boeing777、A340和BUAA民機型非相似余度飛控計算機系統虛擬樣機，從功能和行為上模擬真實的飛控計算機系統。
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。通道間的數據總線采用以太網，使用ARINC629總線協議進行通訊，實現通道間和通道內輸出數據比較的功能。通道內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，實現各支路時鐘同步、系統狀態數據交換等功能，來發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境為VxWorks實時操作系統，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，實現通道內支路軟件非相似.虛擬樣機驗證平臺的軟件系統包括系統管理軟件、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,輸入監控表決、輸出監控表決、故障檢測隔離和系統重構。應用軟件包括縱向和橫側向控制律。系統調度運行利用了實時操縱系統Vxworks中基于優先級的搶占式調度算法和基于時間片的輪轉調度算法相結合的任務調度機制。系統運行狀態顯示和數據綜合處理計算機的軟件程序采用VC++開發。系統運行管理計算機基于PDM軟件，對虛擬樣機開發過程中產生的全部數據進行綜合管理。
運行開始時由數據綜合處理計算機進行系統結構配置。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的飛機姿態和外部大氣數據等信息進行控制律解算，表決后的結果發送到總線上。數據綜合處理計算機從總線上接收輸出數據，并發送給舵面仿真子系統。舵面偏移量通過總線以數字量傳送到仿真計算機系統。仿真計算機實現飛機運動的實時仿真。系統狀態顯示計算機將各個虛擬飛控計算機上傳的數據進行在線顯示，顯示的數據同時被記錄。
3.1 Boeing777飛控計算機系統的虛擬樣機實現
用上述提出的虛擬樣機平臺實現Boeing777飛控計算機系統的虛擬樣機如下圖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。監控支路監控結果反映在狀態字中，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的輸出數據進行中值表決，表決結果發送到指定總線上。
3．2 A340的非相似多余度飛控計算機系統的虛擬樣機實現
A340的飛控計算機系統虛擬樣機實現如下圖8示。A340飛控計算機系統虛擬樣機由10個支路組成。系統任務在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，另外一計算機處于熟備份狀態。每個計算機也包含兩個支路：指令支路和監控支路。由于A340飛控計算機內兩個支路的處理器類型相同，實現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。指令支路輸出數據到總線上，監控支路軟件也解算控制律，但只是監控指令支路的運行，不向總線發送控制指令。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如圖9示.
余度飛控計算機系統由四個通道組成，每個通道有兩個支路：指令支路和監控支路。所有支路使用相同的數據進行控制律計算。支路I，o端的總線仿真卡實現為4個終端，3個用于接收，1個用于發送／接收。通道內支路同步工作，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控支路的監控，監控結果通過總線傳輸；通道內監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分析
虛擬樣機驗證平臺可以針對具體飛控系統的設計需求，在飛控計算機系統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、系統測試等工作。系統運行過程中產生的大量數據傳送給系統運行管理計算機，由它對數據進行實時存儲，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境下，不能仿真飛控系統的壽命和故障率，但可以模擬飛控計算機系統的性能和行為，并可人為的用軟件方法設置故障，包括瞬態、間歇和永久性故障，檢驗系統的故障檢測邏輯功能，并能夠實現系統重構功能。
本文對民機非相似余度飛控計算機系統虛擬樣機開發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結構，仿真它們的工作過程，在實驗室環境中再現民機飛控計算機系統，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，可以對其他開發人員提出的飛控計算機系統結構進行虛擬樣機實現、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的設計，可以在需求發生變化時快速構筑多種不同結構的飛控系統配置，支持多學科設計組在該環境下進行多種參數的設計，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虛擬樣機實現過程中每一階段的設計，均可實現系統級的驗證，確認其設計功能的有效性，工作的穩定性等;
(4)虛擬樣機平臺與驗證環境相聯，對飛控系統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的設計環境;
(5)基于PDM的體系結構對系統運行過程中產生的全部數據進行綜合管理。
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的實驗平臺進行了研究，該平臺可以實現Boeing777, A340和BUAA民機型新方案的非相似余度飛控計算機系統的虛擬樣機，面向大型民機設計，符合飛控系統虛擬樣機技術的發展趨勢。
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