民機(jī)飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)虛擬樣機(jī)驗(yàn)證平臺(tái)研究

1 飛控系統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)概況

隨著虛擬樣機(jī)技術(shù)的成熟，國(guó)外已經(jīng)將虛擬樣機(jī)技術(shù)成功的應(yīng)用到各種復(fù)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(gòu)成復(fù)雜，和機(jī)上其它系統(tǒng)交聯(lián)越來(lái)越多，設(shè)計(jì)難度越來(lái)越大?；谔摂M樣機(jī)技術(shù)的設(shè)計(jì)方法為飛控系統(tǒng)的研發(fā)制造提供強(qiáng)有力的支持。

本文分析了民機(jī)Boeing777、A340和BuAA民機(jī)型方案的非相似多余度飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，對(duì)民機(jī)非相似余度飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)虛擬樣機(jī)的驗(yàn)證平臺(tái)進(jìn)行研究。

1．1虛擬樣機(jī)技術(shù)

虛擬樣機(jī)(Virtual Prototyping，簡(jiǎn)稱VP)技術(shù)是一種基于產(chǎn)品的計(jì)算機(jī)仿真模型的數(shù)字化設(shè)計(jì)方法。這些數(shù)字模型即虛擬樣機(jī)(virtual prototype)，又稱為虛擬原型機(jī)，將不同工程領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)模型結(jié)合在一起，從外觀、功能和行為上模擬真實(shí)產(chǎn)品，產(chǎn)品在概念設(shè)計(jì)階段就可以迅速地分析、比較多種設(shè)計(jì)方案，采用相應(yīng)分析工具，對(duì)虛擬樣機(jī)的功能，性能進(jìn)行仿真分析，對(duì)虛擬樣機(jī)的行為進(jìn)行模擬分析，并基于分析結(jié)果，修改產(chǎn)品設(shè)計(jì)和相應(yīng)的仿真分析模型。虛擬樣機(jī)支持并行工程方法學(xué)，利用虛擬樣機(jī)替代物理樣機(jī)在產(chǎn)品全壽命周期過(guò)程中對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)、測(cè)試、評(píng)估和人員訓(xùn)練，可以縮短研發(fā)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量。虛擬樣機(jī)技術(shù)是基于先進(jìn)的建模技術(shù)、多領(lǐng)域協(xié)同仿真技術(shù)、信息集成與管理技術(shù)、工程設(shè)計(jì)分析技術(shù)、交互式用戶界面技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的綜合應(yīng)用技術(shù)。

1．2飛控系統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)

飛機(jī)是一種極其復(fù)雜的系統(tǒng)，在其設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)和飛行過(guò)程中都將面臨許多技術(shù)難題，特別是一些新的關(guān)鍵技術(shù)和試驗(yàn)項(xiàng)目能否達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)，依賴制造物理樣機(jī)和進(jìn)行飛行實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證的代價(jià)是非常大的。隨著虛擬樣機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，飛機(jī)的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和運(yùn)行在概念和方法上有了新的飛躍。通過(guò)建立虛擬樣機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)已經(jīng)成為主流方向之一。

飛行控制系統(tǒng)作為飛機(jī)系統(tǒng)的重要一部分，也通過(guò)建立虛擬樣機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。它可以在一定的程度上實(shí)現(xiàn)真實(shí)物理系統(tǒng)的功能，驗(yàn)證系統(tǒng)性能是否合乎設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)，克服飛控系統(tǒng)物理樣機(jī)花費(fèi)昂貴、制造周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)。使用虛擬原型機(jī)可以在飛控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)真正的并行工程開(kāi)發(fā)，滿足多學(xué)科設(shè)計(jì)組的工作要求，提高產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)效率。虛擬樣機(jī)技術(shù)可以貫穿于飛控系統(tǒng)研制的全過(guò)程，包括功能需求、軟件設(shè)計(jì)(包括概要設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì))、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)、系統(tǒng)集成和測(cè)試驗(yàn)證等階段。通過(guò)全生命周期的建模和仿真技術(shù)的應(yīng)用，VP為我們提供了一個(gè)能夠?qū)︼w控系統(tǒng)進(jìn)行反復(fù)設(shè)計(jì)、測(cè)試、驗(yàn)證和評(píng)估的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。

Honeywell空間系統(tǒng)部門(mén)提出了用于飛行器開(kāi)發(fā)過(guò)程的航空電子綜合開(kāi)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(shè)計(jì)并行進(jìn)行，采用共同的數(shù)據(jù)庫(kù)管理。系統(tǒng)的建模通過(guò)商用圖形交互環(huán)境VAPS完成，設(shè)計(jì)者可以采用圖形化的快速建模進(jìn)行初始設(shè)計(jì)配置和系統(tǒng)性能分析。AIDE提供標(biāo)準(zhǔn)組件的軟件模型庫(kù)，支持Ada、C和FORTRAN語(yǔ)言，庫(kù)中模型具有標(biāo)準(zhǔn)格式，使設(shè)計(jì)過(guò)程中所有的部門(mén)可直接獲得。J佃E的硬件結(jié)構(gòu)樣機(jī)開(kāi)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(yùn)行Ada語(yǔ)言的飛行控制軟件；Intel 860的單板計(jì)算機(jī)，其上運(yùn)行相關(guān)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(kāi)發(fā)系統(tǒng))和Tartan(Ada編譯系統(tǒng))圖形化調(diào)試器，提供了運(yùn)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(shí)時(shí)進(jìn)行交互，提供了一個(gè)快速設(shè)備觀察在用戶定義的條件下整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行情況。使用Matrix X工具進(jìn)行自動(dòng)代碼產(chǎn)生。

美國(guó)國(guó)家航空實(shí)驗(yàn)室NLR的FBW的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)環(huán)境具有模塊化的結(jié)構(gòu)和定義的界面。整個(gè)環(huán)境包括完全的飛機(jī)和飛行控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，具有圖形化用戶界面和線性化分析工具。FBW系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程自動(dòng)化和性能評(píng)價(jià)通過(guò)開(kāi)發(fā)的操作品質(zhì)評(píng)價(jià)工具箱執(zhí)行，這個(gè)工具箱是由一系列的功能組成，這些功能支持飛機(jī)性能的設(shè)計(jì)結(jié)果同設(shè)計(jì)需求進(jìn)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(jì)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(shè)計(jì)參數(shù)。所有工具都是在Matlab/Simulink環(huán)境中設(shè)計(jì)，支持設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的交換進(jìn)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(chǔ)用于回放：飛行測(cè)試時(shí)進(jìn)行故障設(shè)置和測(cè)試。

JPL(Jet Propulsion Lab)開(kāi)發(fā)的FST(Flight System Testbed)環(huán)境主要由COTS產(chǎn)品和JPL開(kāi)發(fā)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)化實(shí)時(shí)的功能界面，具有標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)接口和總線、基于32位CPU的商用實(shí)時(shí)操縱系統(tǒng)和支持廣泛使用的語(yǔ)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(kāi)發(fā)太空船單個(gè)子系統(tǒng)的仿真模型。提供系統(tǒng)設(shè)計(jì)的連貫性和標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)水平界面。通過(guò)TCP／IP以太網(wǎng)將地理位置不同的部門(mén)連接，支持方便的獲得測(cè)試臺(tái)活動(dòng)需要的組件或子系統(tǒng)模型。JPL同工業(yè)部門(mén)協(xié)商和建立合作關(guān)系，進(jìn)行新技術(shù)的評(píng)價(jià)。減少了工程成本，支持重復(fù)使用，對(duì)未來(lái)的任務(wù)需求評(píng)價(jià)新技術(shù)，發(fā)展測(cè)試環(huán)境的能力?；谝陨咸摂M樣機(jī)技術(shù)在飛控系統(tǒng)的應(yīng)用情況，飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)虛擬樣機(jī)支持環(huán)境的特征如下：開(kāi)發(fā)環(huán)境由模塊化組件組成，可擴(kuò)展和重復(fù)使用；使用COTS硬件、軟件以及支持廣泛使用的語(yǔ)言；標(biāo)準(zhǔn)實(shí)時(shí)的系統(tǒng)界面，在不影響系統(tǒng)性能情況下允許真實(shí)子系統(tǒng)或組件的直接代替；由統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)管理，網(wǎng)絡(luò)連接飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中各部門(mén)進(jìn)行實(shí)時(shí)信息交換；圖形化交互軟件，可進(jìn)行可視化建模和分析?；谔摂M樣機(jī)技術(shù)在以上飛控系統(tǒng)中的應(yīng)用情況，并隨著虛擬樣機(jī)技術(shù)的發(fā)展，飛控系統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)的發(fā)展方向如下：

(1)建立一個(gè)先進(jìn)的、開(kāi)放的、分布的和集成的支撐平臺(tái)，工具集，支持飛控系統(tǒng)整個(gè)生命周期的設(shè)計(jì)過(guò)程和性能評(píng)估。

(2)虛擬樣機(jī)開(kāi)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(jī)，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(kuò)充性，在更改有關(guān)算法和數(shù)據(jù)庫(kù)后，設(shè)計(jì)研究人員和使用方可對(duì)飛控系統(tǒng)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)和分析研究。

(3)系統(tǒng)由大多數(shù)市場(chǎng)上COTS產(chǎn)品組成，采用模塊化結(jié)構(gòu)，具有易于擴(kuò)展和可重復(fù)使用的特性。標(biāo)準(zhǔn)實(shí)時(shí)的系統(tǒng)界面，在不影響系統(tǒng)性能情況下允許真實(shí)子系統(tǒng)或組件的直接代替；

(4)飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中各學(xué)科組、各部門(mén)和工業(yè)可實(shí)時(shí)地參與飛控設(shè)計(jì)和試驗(yàn)，交換設(shè)計(jì)信息，具有圖形化交互環(huán)境，可進(jìn)行可視化建模和分析。

(5)開(kāi)發(fā)虛擬樣機(jī)平臺(tái)的關(guān)鍵技術(shù)，工程管理技術(shù)、多學(xué)科虛擬樣機(jī)協(xié)同仿真技術(shù)、前期概念規(guī)劃和后期性能評(píng)估技術(shù)、設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)、虛擬環(huán)境技術(shù)、模型的校驗(yàn)、驗(yàn)證和確認(rèn)技術(shù)。

(6)可進(jìn)行虛擬樣機(jī)的可制造性、可維護(hù)性和可適用性評(píng)估。

本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/201706/353820.htm 中國(guó)大型飛機(jī)研制重大科技專項(xiàng)已經(jīng)正式立項(xiàng)，民用飛機(jī)生產(chǎn)要達(dá)到當(dāng)前國(guó)際商業(yè)和經(jīng)濟(jì)環(huán)境的要求，迫使各個(gè)開(kāi)發(fā)商在開(kāi)發(fā)過(guò)程中減少開(kāi)發(fā)代價(jià)、縮短生產(chǎn)周期。采用虛擬樣機(jī)技術(shù)是中國(guó)大型飛機(jī)研制中的必然選擇。

2非相似余度飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)介紹

民用飛機(jī)從開(kāi)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(jì)算機(jī)

Boeing777的主飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包括3個(gè)完全相同的數(shù)字式計(jì)算機(jī)通道，每個(gè)通道有3個(gè)非相似的支路，各個(gè)通道之間采用ARINC629數(shù)據(jù)總線通訊。每個(gè)支路軟件都采用Ada編寫(xiě)，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(gè)ARINC629終端，其中2個(gè)用于接收，1個(gè)用于發(fā)送／接收。Boeing777主飛控計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

主飛控計(jì)算機(jī)的3個(gè)通道全部投入工作，每個(gè)PFC都使用相同的輸入數(shù)據(jù)解算控制律，計(jì)算舵面控制指令。PFC和總線被分為左、中、右三組，PFC同時(shí)監(jiān)聽(tīng)三組總線，但只向同組的總線傳送數(shù)據(jù)，當(dāng)一組總線失效后，不會(huì)影響另外兩組的正常工作。飛行員指令通過(guò)總線輸入到各個(gè)PFC。PFC的三個(gè)支路的處理器模塊在功能上完全相同。這三個(gè)支路分別被分配為指令支路、備用支路和監(jiān)控支路。指令支路解算控制律，將輸出傳送到指定的總線。其它2個(gè)支路分別執(zhí)行監(jiān)控功能和支路余度管理任務(wù)，它們都進(jìn)行和指令支路相同的運(yùn)算，但不向總線發(fā)送控制指令，只是向總線發(fā)送支路間和通道問(wèn)的交換信息。一旦指令支路失效，其任務(wù)由備用支路取代。剩下2個(gè)支路任意一個(gè)再次發(fā)生故障都將導(dǎo)致PFC輸出斷開(kāi)。

個(gè)PFC內(nèi)的支路同步工作，三個(gè)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(guò)同組的數(shù)據(jù)總線進(jìn)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(jìn)行。通道內(nèi)支路間的專用總線，主要實(shí)時(shí)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(hào)等功能。

系統(tǒng)具有多級(jí)表決面，支路依靠自監(jiān)控和在線監(jiān)控確認(rèn)硬件正確性；每個(gè)支路接收來(lái)自通道內(nèi)其它兩個(gè)支路的離信號(hào)決定是否對(duì)該支路進(jìn)行支路禁止和失效告警，通過(guò)同總線進(jìn)行支路間的數(shù)據(jù)比較和監(jiān)控；指令支路計(jì)算出的關(guān)輸出參數(shù)同其它兩個(gè)通道指令支路對(duì)應(yīng)的輸出組進(jìn)行中選擇。

2.2 A340的非相似多余度飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

A340的飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包括3個(gè)飛控主計(jì)算機(jī)(FCPCs)和2個(gè)飛控輔助計(jì)算機(jī)(FCSCs)，還有兩個(gè)飛控制數(shù)據(jù)集中器(FCDCs)和兩個(gè)縫翼，襟翼計(jì)算機(jī)(SFCCs)。系統(tǒng)任務(wù)在FCPCs和FCSCs之間分配，任何時(shí)都有一個(gè)計(jì)算機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)，另外一計(jì)算機(jī)處于備份狀。每個(gè)計(jì)算機(jī)包含兩個(gè)支路：指令支路和監(jiān)控支路，兩支的功能不同。指令支路運(yùn)行分配給該計(jì)算機(jī)的任務(wù)，監(jiān)控路確保指令支路的正確性。飛控計(jì)算機(jī)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(yǔ)言。飛控計(jì)算機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2示。

FCCs解算控制律給作動(dòng)器發(fā)送指令，控制飛機(jī)的滾、偏航和俯仰，F(xiàn)CSCs處于備份狀態(tài)，當(dāng)FCPCs失效，F(xiàn)CSCs投入運(yùn)行。當(dāng)計(jì)算機(jī)的兩個(gè)支路的輸出不一致時(shí)，該計(jì)算機(jī)被切除，剩下的計(jì)算機(jī)按照預(yù)先規(guī)定的優(yōu)先級(jí)順序投入運(yùn)行。A340的飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)使用ARINC429總線進(jìn)行信息傳輸。

2.3 BUAA余度飛控計(jì)算機(jī)(RFCC-CA)新方案的總體介紹

本課題組提出的Bu從余度飛控計(jì)算機(jī)新方案的總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。采用四套非相似處理器的計(jì)算機(jī)構(gòu)筑四余度系統(tǒng)，每個(gè)通道有兩個(gè)支路，指令支路和監(jiān)控支路。每個(gè)支路上運(yùn)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(quán)限工作能力。同一通道內(nèi)的兩個(gè)支路上運(yùn)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(gè)軟件包采用了差異性設(shè)計(jì)方法。ACE提供RFCC-CA的離散和模擬接口。每個(gè)ACE包含有4個(gè)終端控制器，3個(gè)接收，1個(gè)發(fā)送／接收。

每套計(jì)算機(jī)內(nèi)，指令支路和監(jiān)控支路同步運(yùn)行，使用相同的數(shù)據(jù)進(jìn)行控制律計(jì)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(yùn)行。監(jiān)控支路監(jiān)控指令支路的運(yùn)行，兩個(gè)支路輸出的差值超過(guò)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(gè)通道按照異步方式全部投入工作，任意一個(gè)通道都能控制飛機(jī)飛行。每套計(jì)算機(jī)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(dāng)本組的計(jì)算機(jī)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(quán)限由其它的ACE代替。當(dāng)該計(jì)算機(jī)失效后，其控制任務(wù)由其它的計(jì)算機(jī)替代，替代順序由系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員事先規(guī)定。計(jì)算機(jī)控制權(quán)限分配、計(jì)算機(jī)控制任務(wù)的替換關(guān)系以及液壓源分配方式如圖5示。

每個(gè)支路依靠自監(jiān)控和在線監(jiān)控判斷本支路的輸出信號(hào)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(gòu)成比較監(jiān)控結(jié)構(gòu)保證輸出指令的正確。

3 民機(jī)飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)虛擬樣機(jī)開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證平臺(tái)研究

為了深入分析B0eing、Airbus系列和BUAA余度飛控計(jì)算機(jī)，比較諸方案的優(yōu)缺點(diǎn)，為我國(guó)大型民機(jī)的研究提出有益的建議，根據(jù)以上飛控系統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，本課題組對(duì)民機(jī)飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)虛擬樣機(jī)的驗(yàn)證平臺(tái)進(jìn)行研究，該平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)Boeing777、A340和BUAA民機(jī)型非相似余度飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)虛擬樣機(jī)，從功能和行為上模擬真實(shí)的飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

本文使用lO臺(tái)PC結(jié)構(gòu)工控機(jī)構(gòu)筑虛擬飛控計(jì)算機(jī)，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(jìn)行通訊，實(shí)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(jì)算機(jī)串行接口進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)各支路時(shí)鐘同步、系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)交換等功能，來(lái)發(fā)送支路禁止或失效告警信號(hào)。虛擬樣機(jī)配置方案如圖6示。

數(shù)據(jù)綜合處理計(jì)算機(jī)完成系統(tǒng)控制、管理功能虛擬飛控計(jì)算機(jī)的所有數(shù)據(jù)接口都通過(guò)它與驗(yàn)證環(huán)境相聯(lián).其主要功能包括:系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)置和管理，余度信號(hào)處理，故障設(shè)置、監(jiān)控，系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、顯示等。初始化時(shí)對(duì)虛擬飛控計(jì)算機(jī)進(jìn)行配置，包括總體余度結(jié)構(gòu)、調(diào)度方案、硬件處理能力、AID和D/A字長(zhǎng)精度等，運(yùn)行時(shí)作為電子作動(dòng)器使用，對(duì)飛行員輸入指令進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并將生成的多余度數(shù)據(jù)發(fā)送到各個(gè)模擬的余度總線上，對(duì)虛擬飛控計(jì)算機(jī)輸出的余度數(shù)據(jù)進(jìn)行表決和D/A轉(zhuǎn)換，并且負(fù)責(zé)直觀顯示各通道數(shù)據(jù)，運(yùn)行結(jié)束時(shí)管理虛擬飛控計(jì)算機(jī)等。系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)顯示計(jì)算機(jī)，負(fù)責(zé)顯示各個(gè)通道任務(wù)的運(yùn)行狀態(tài)、CPU、內(nèi)存狀態(tài)等。各支路運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)上傳到系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)顯示計(jì)算機(jī)上，用來(lái)監(jiān)控其運(yùn)行。系統(tǒng)運(yùn)行管理計(jì)算機(jī)用于對(duì)虛擬樣機(jī)開(kāi)發(fā)過(guò)程中的文檔、參數(shù)和工作流程進(jìn)行管理。10臺(tái)工控機(jī)共用一臺(tái)顯示器和鍵盤(pán)，通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)切換。

虛擬余度飛控計(jì)算機(jī)的運(yùn)行軟件環(huán)境為VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，軟件程序由3個(gè)設(shè)計(jì)人員用C語(yǔ)言編制相同功能的不同版本算法程序，實(shí)現(xiàn)通道內(nèi)支路軟件非相似.虛擬樣機(jī)驗(yàn)證平臺(tái)的軟件系統(tǒng)包括系統(tǒng)管理軟件、余度管理軟件和應(yīng)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(shè)置和記錄。余度管理軟件包括計(jì)算機(jī)BIT,輸入監(jiān)控表決、輸出監(jiān)控表決、故障檢測(cè)隔離和系統(tǒng)重構(gòu)。應(yīng)用軟件包括縱向和橫側(cè)向控制律。系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行利用了實(shí)時(shí)操縱系統(tǒng)Vxworks中基于優(yōu)先級(jí)的搶占式調(diào)度算法和基于時(shí)間片的輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法相結(jié)合的任務(wù)調(diào)度機(jī)制。系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)顯示和數(shù)據(jù)綜合處理計(jì)算機(jī)的軟件程序采用VC++開(kāi)發(fā)。系統(tǒng)運(yùn)行管理計(jì)算機(jī)基于PDM軟件，對(duì)虛擬樣機(jī)開(kāi)發(fā)過(guò)程中產(chǎn)生的全部數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合管理。

運(yùn)行開(kāi)始時(shí)由數(shù)據(jù)綜合處理計(jì)算機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置。運(yùn)行過(guò)程中，各工控機(jī)從總線上接收飛行員指令，并接收來(lái)自信息管理系統(tǒng)的飛機(jī)姿態(tài)和外部大氣數(shù)據(jù)等信息進(jìn)行控制律解算，表決后的結(jié)果發(fā)送到總線上。數(shù)據(jù)綜合處理計(jì)算機(jī)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(guò)總線以數(shù)字量傳送到仿真計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。仿真計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)飛機(jī)運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)仿真。系統(tǒng)狀態(tài)顯示計(jì)算機(jī)將各個(gè)虛擬飛控計(jì)算機(jī)上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行在線顯示，顯示的數(shù)據(jù)同時(shí)被記錄。

3.1 Boeing777飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)實(shí)現(xiàn)

用上述提出的虛擬樣機(jī)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)Boeing777飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)如下圖7示。

初始化時(shí)數(shù)據(jù)綜合處理計(jì)算機(jī)對(duì)各支路進(jìn)行初始化參數(shù)設(shè)置，配置為3X3余度結(jié)構(gòu)形式。支路I/O實(shí)現(xiàn)為3個(gè)總線終端，1個(gè)發(fā)詢接收，2個(gè)接收。支路1至支路9全部投入工作，每個(gè)工控機(jī)使用完全相同的輸入數(shù)據(jù)解算控制律，計(jì)算舵面控制指令。

PFC的支路軟件進(jìn)行在線自檢測(cè)，判斷本支路信號(hào)是否有效。監(jiān)控支路監(jiān)控結(jié)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(hào)，它作為消息的一部分通過(guò)總線傳輸。各通道指令支路的輸出同其它兩個(gè)PFC的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行中值表決，表決結(jié)果發(fā)送到指定總線上。

3．2 A340的非相似多余度飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)實(shí)現(xiàn)

A340的飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)虛擬樣機(jī)實(shí)現(xiàn)如下圖8示。A340飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)虛擬樣機(jī)由10個(gè)支路組成。系統(tǒng)任務(wù)在KPcs和FCSCs之間分配，計(jì)算機(jī)的功能不同，運(yùn)行的軟件不同。任何時(shí)刻都有一個(gè)計(jì)算機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)，另外一計(jì)算機(jī)處于熟備份狀態(tài)。每個(gè)計(jì)算機(jī)也包含兩個(gè)支路：指令支路和監(jiān)控支路。由于A340飛控計(jì)算機(jī)內(nèi)兩個(gè)支路的處理器類型相同，實(shí)現(xiàn)時(shí)也可以用同一臺(tái)計(jì)算機(jī)同時(shí)模擬這兩個(gè)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(shí)現(xiàn)非相似，同時(shí)FCPC和FCSC的處理器非相似，保證硬件非相似。

兩個(gè)支路之間通過(guò)計(jì)算機(jī)串行接口進(jìn)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(yùn)行，不向總線發(fā)送控制指令。比較計(jì)算機(jī)的兩個(gè)支路的輸出，如果它們輸出的差值超過(guò)閩值時(shí)，就切斷此計(jì)算機(jī)輸出，由備用計(jì)算機(jī)代替，替代順序由開(kāi)發(fā)人員預(yù)先指定。

3.3 BUAA余度飛控計(jì)算機(jī)(RFCC-CA)新方案的虛擬樣機(jī)實(shí)現(xiàn)

BUAA余度飛控計(jì)算機(jī)(RFCC-CA)新方案的虛擬樣機(jī)實(shí)現(xiàn)如圖9示.

余度飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由四個(gè)通道組成，每個(gè)通道有兩個(gè)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(jìn)行控制律計(jì)算。支路I，o端的總線仿真卡實(shí)現(xiàn)為4個(gè)終端，3個(gè)用于接收，1個(gè)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(gè)支路通過(guò)軟件在線自監(jiān)控判斷本支路輸出信號(hào)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(jié)果通過(guò)總線傳輸；通道內(nèi)監(jiān)控支路計(jì)算兩個(gè)支路輸出的差值，同閾值進(jìn)行比較，超過(guò)閾值則設(shè)置該通道輸出禁止。

3．4民機(jī)虛擬樣機(jī)驗(yàn)證平臺(tái)實(shí)現(xiàn)分析

虛擬樣機(jī)驗(yàn)證平臺(tái)可以針對(duì)具體飛控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，在飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)虛擬樣機(jī)中完成了控制律和總體的余度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，進(jìn)行具體的軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、任務(wù)綜合、系統(tǒng)測(cè)試等工作。系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)傳送給系統(tǒng)運(yùn)行管理計(jì)算機(jī)，由它對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，必要時(shí)提供對(duì)仿真測(cè)試結(jié)果的圖形化顯示，由軟硬件設(shè)計(jì)人員共同分析得出設(shè)計(jì)建議。該驗(yàn)證平臺(tái)運(yùn)行在實(shí)驗(yàn)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能和行為，并可人為的用軟件方法設(shè)置故障，包括瞬態(tài)、間歇和永久性故障，檢驗(yàn)系統(tǒng)的故障檢測(cè)邏輯功能，并能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)重構(gòu)功能。

本文對(duì)民機(jī)非相似余度飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)虛擬樣機(jī)開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證平臺(tái)進(jìn)行了研究，該平臺(tái)能夠模擬Boeing777. A340和BUAA民機(jī)型新方案的飛行控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，仿真它們的工作過(guò)程，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中再現(xiàn)民機(jī)飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，對(duì)我國(guó)的研究工作提供借鑒和參考.平臺(tái)還具有以下功能:

(1)此平臺(tái)具有開(kāi)放性和可擴(kuò)展性，可以對(duì)其他開(kāi)發(fā)人員提出的飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行虛擬樣機(jī)實(shí)現(xiàn)、驗(yàn)證和性能評(píng)估;

(2)采用虛擬樣機(jī)平臺(tái)進(jìn)行飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可以在需求發(fā)生變化時(shí)快速構(gòu)筑多種不同結(jié)構(gòu)的飛控系統(tǒng)配置，支持多學(xué)科設(shè)計(jì)組在該環(huán)境下進(jìn)行多種參數(shù)的設(shè)計(jì)，支持不同模塊間的并行設(shè)計(jì)和測(cè)試;

(3)基于此平臺(tái)飛控系統(tǒng)虛擬樣機(jī)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中每一階段的設(shè)計(jì)，均可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)的驗(yàn)證，確認(rèn)其設(shè)計(jì)功能的有效性，工作的穩(wěn)定性等;

(4)虛擬樣機(jī)平臺(tái)與驗(yàn)證環(huán)境相聯(lián)，對(duì)飛控系統(tǒng)虛擬樣機(jī)進(jìn)行模型校驗(yàn)、驗(yàn)證和確認(rèn)。評(píng)價(jià)結(jié)果可供其它VP使用，或輸出到其它子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)環(huán)境;

(5)基于PDM的體系結(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的全部數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合管理。

4結(jié)論

本文介紹了虛擬樣機(jī)技術(shù)的概念，對(duì)飛控系統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用狀況進(jìn)行了概述。為了深入分析Boeing, Airbus系列和BUAA民機(jī)型新方案的余度飛控計(jì)算機(jī)，對(duì)民機(jī)非相似余度飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了研究，該平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)Boeing777, A340和BUAA民機(jī)型新方案的非相似余度飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)，面向大型民機(jī)設(shè)計(jì)，符合飛控系統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。