一种可配置余度等级的控制律验证平台及方法与流程

本发明属于飞机控制系统领域，适用于飞机飞控系统及其它高安全、高可靠领域的多余度控制系统的控制律算法验证。

背景技术：

控制律是实现控制系统控制功能的核心逻辑算法。飞控系统的可靠运行是飞行安全的保障，其微小故障都有可能引发飞机灾难性的后果。为了提高飞控系统的可靠性，在元器件基本可靠性一定的前提下，其核心部件如传感器、计算机、作动器等都采用了余度技术。当前，控制律设计阶段的早期验证工作都是通过全数字手段进行的算法仿真，验证的目标仅仅局限在控制算法的正确性上，而对于多余度系统配置所带来的余度管理、数据传输、同步、实时性、多控制通道协调等关键技术不能得到充分验证。

技术实现要素：

本发明的目的：提出一种可配置余度等级的控制律验证平台及方法，满足在控制律设计阶段进行控制律多余度实时系统相关验证的需求。

本发明的技术方案：

一种可配置余度等级的控制律验证平台，包括：

4余度实时仿真节点，软件加载/系统测试计算机，以太网和反射内存网，

其中，4余度实时仿真节点由4台功能、性能、接口和组成完全相同的嵌入式计算机构成，运行VxWork实时操作系统；计算机之间通过CCDL进行数据交叉传输，CCDL还包括一路同步电缆，用于仿真节点间的时钟同步管理；实时仿真节点运行飞控系统算法，并通过物理I/O接口输入和输出数据；

软件加载和系统测试计算机，完成飞行控制算法的matlab/Simulink建模设计，并将算法模型自动转化为C语言实时代码；通过以太网与4余度实时仿真节点连接，将代码同步下载到4余度实时仿真节点，完成嵌入式软件装载，并且监控实时仿真节点中软件运行情况；软件加载和系统测试计算机还通过反射内存网与4余度实时仿真节点连接，用于记录和分析数据。

具体的，实时仿真节点包括：

实时仿真节点由操作系统完成硬件管理、健康检测和任务管理；硬件管理功能完成处理器、存储器、接口电路板的管理与检测；在VxWorks操作系统环境下，飞控算法模型是作为实时任务由任务管理功能完成调度与运行，并且以多任务方式对接口、整体系统运行、硬件驱动、异常处理、任务间通信进行调度与管理；健康检测功能提供处理器和存储器的实时状态监控，以及以太网和反射内存网的状态监控；

通过matlab/Simulink与实时系统接口，将使用Matlab开发的飞控系统算法模型自动生成运行于VxWorks操作系统环境下的实时代码并完成模型下载任务；

监控软件接口，是监控软件与实时仿真节点的软件接口，具备多节点监控能力；监控软件根据实时仿真节点的IP地址区分各个仿真节点；通过监控软件在飞控系统算法建模过程中进行监控点设置，在对飞控系统进行故障仿真时通过监控软件接口完成对控制信号的故障注入；完成模型运行控制、模型数据采集、监控、存储、分析、实时系统运行监控；

飞控系统与外部系统接口，用于飞控系统与模拟器或其他外部仿真系统交联；

飞控系统建模框架，提供飞控系统算法建模的软件框架，针对不同飞机的飞控系统仿真算法设计，在本模型框架下进行；包括输入/输出两级监控表决面、控制律和故障综合功能；监控表决功能由4余度实时仿真节点同步、节点间数据交叉传输和余度信号比较表决监控功能构成；飞控系统建模框架完成各功能模块间数据通信和调度，控制算法根据不同飞控系统的特性配置信号数量、类型、比较表决监控策略，设计控制律和故障综合算法。

进一步的，每个实时仿真节点作为一路控制通道，CCDL负责4余度实时仿真节点间通信；每个通道运行相同的控制算法模型，并且判断4个通道运算结果的正确性，构成相似余度配置；4通道必须同时开始仿真，并且每一个实时仿真步长都同步，如果发现任何一个实时仿真节点出现失步则上报失步故障；系统通过CCDL中包含的时钟同步电缆实现系统同步管理；每个仿真周期开始，要求4通道同步一次，确保4个通道在同一时刻进行采样；计算结果输出之前各通道同步一次，确保每个通道信号在同一时刻被输出；各通道的时钟误差不得累计，当通道之间的时钟误差超过规定范围时，则检测出失步通道；

设置采集输入信号和结果输出信号两级表决面，采取投票表决策略，按照少数服从多数的原则将信号值直接比较；每个节点首先交叉数据传输模块中得到的其它节点的数据，然后分别统计节点1、2、3、4的数据在误差设置范围内的得票情况，最后按照少数服从多数的原则将得票最多的数据输出。

一种可配置余度等级的控制律验证方法，包括：

(1)4余度飞控实时仿真系统与模拟器交联；

(2)生成实时系统仿真模型；

(3)对实时系统仿真模型分析；

其中，步骤(1)包括：

(11)利用matlab/Simulink搭建飞控系统算法模型；

(12)在matlab/Simulink中编写测试脚本文件，完成模型各项功能和性能测试；

(13)利用C语言编写飞控仿真系统与模拟器的反射内存通信接口程序；

(14)根据模拟器仿真需求配置“仿真系统软件框架”；

(15)根据动态测试要求配置“监控软件”的matlab/Simulink模型监控点；

(16)通过系统提供的编译工具形成实时系统目标码；

(17)通过下载管理器完成4余度仿真节点的实时目标码同步下载；

(18)通过上述步骤完成了飞控系统仿真建模和系统软件编译加载，最后，通过模拟器的运行闭环动态测试飞控系统功能和性能；

步骤(2)包括：

(21)生成监控软件，监控软件功能包括：控制模型的运行、停止和暂停；数据监控、记录和分析；系统状态实时监控；系统健康检测；

(22)软件整体调度、任务管理、接口管理，数据传输管理、时钟同步管理、硬件资源管理由“仿真系统软件框架”自动完成，用户进行飞控算法设计，包括控制律和余度软件设计；

(23)使用matlab环境设计的“用户仿真模型”和人工编写的“用户C代码”通过实时代码生成软件RTI自动生成实时代码，并与“仿真系统软件框架”通过“C编译器”进行联编，形成VxWorks实时操作系统目标码，其中“仿真系统软件框架”包括了用户根据需要设置的模型监控信息和运行控制信息；这些目标码通过“下载管理器”同步下载到4余度仿真节点，仿真模型运行过程中的信息反馈给“监控软件”提供给用户测试与监控；

步骤(3)包括：

(31)修改Simulink模型属性，将代码自动剖析过程加入模型属性中；

(32)通过RTI自动生成代码；

(33)自动模型剖析剖析RTI生成的所有文件，并将获得的模型变量和模型层次结构保存到指定文件中；

(34)监控软件打开模型剖析的变量，获得所有模型变量数据用于仿真试验分析；

(35)记录并永久性的保存实时仿真数据；

(36)记录的数据采用Matlab的*.mat文件格式存储；

(37)在Matlab上编写满足使用要求的数据分析软件。

本发明的优点：

(1)本发明能够在系统方案论证阶段提供余度等级和余度管理算法的评估结果，对方案设计起到非常重要的积极作用。

(2)本发明提供最高可支持4余度的可配置余度等级的控制律测试验证平台，能够根据系统设计要求进行灵活的余度等级配置。满足控制律设计早期阶段开展控制律算法在多余度环境下进行相关验证的需求。

(3)本发明提供控制律软件的实时运行环境，支持matlab/Simulink开发的控制律算法模型自动下载转换为VxWorks系统下的实时软件，能够对控制律算法快速方便的进行实时验证。

(4)本发明提供实时多余度系统下的模型分析功能，可以在实时多余度运行过程中对控制律算法模型及内部重要数据进行监控分析。

(5)本发明只需要对该平台进行简单的接口匹配和系统控制调度开发就可以与模拟器交联，作为模拟器的飞控计算机仿真部分参与联合仿真，完成模拟器环境下的闭环仿真任务。利用模拟器丰富的软/硬件资源对飞控算法建模进行分析与闭环仿真测试，提高了仿真效率和验证的覆盖率。

(6)本发明使用试验室级货架硬件设备构成，组成架构简单，与飞机机载设备相比较大幅降低了设计、使用和维护成本。

附图说明：

图1是本发明平台结构示意图。

图2是实时仿真节点工作示意图。

图3是系统交联结构示意图。

图4是Simulink仿真模型到实时系统转换流程示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步详细描述。

一种可配置余度等级的控制律验证平台，包括：

4余度实时仿真节点，软件加载/系统测试计算机，以太网和反射内存网，

其中，4余度实时仿真节点由4台功能、性能、接口和组成完全相同的嵌入式计算机构成，运行VxWork实时操作系统；计算机之间通过CCDL(Cross Communication Data Link交叉通信数据链路)进行数据交叉传输，CCDL还包括一路同步电缆，用于仿真节点间的时钟同步管理；实时仿真节点运行飞控系统算法，并通过物理I/O接口输入和输出数据；

软件加载和系统测试计算机，完成飞行控制算法的matlab/Simulink建模设计，并将算法模型自动转化为C语言实时代码；通过以太网与4余度实时仿真节点连接，将代码同步下载到4余度实时仿真节点，完成嵌入式软件装载，并且监控实时仿真节点中软件运行情况；软件加载和系统测试计算机还通过反射内存网与4余度实时仿真节点连接，用于记录和分析数据。

具体的，实时仿真节点包括：

实时仿真节点由操作系统完成硬件管理、健康检测和任务管理；硬件管理功能完成处理器、存储器、接口电路板的管理与检测；在VxWorks操作系统环境下，飞控算法模型是作为实时任务由任务管理功能完成调度与运行，并且以多任务方式对接口、整体系统运行、硬件驱动、异常处理、任务间通信进行调度与管理；健康检测功能提供处理器和存储器的实时状态监控，以及以太网和反射内存网的状态监控；

通过matlab/Simulink与实时系统接口，将使用Matlab开发的飞控系统算法模型自动生成运行于VxWorks操作系统环境下的实时代码并完成模型下载任务；

监控软件接口，是监控软件与实时仿真节点的软件接口，具备多节点监控能力；监控软件根据实时仿真节点的IP地址区分各个仿真节点；通过监控软件在飞控系统算法建模过程中进行监控点设置，在对飞控系统进行故障仿真时通过监控软件接口完成对控制信号的故障注入；完成模型运行控制、模型数据采集、监控、存储、分析、实时系统运行监控(健康检测、硬件管理、板卡检测)；

飞控系统与外部系统接口，用于飞控系统与模拟器或其他外部仿真系统交联；

飞控系统建模框架，提供飞控系统算法建模的软件框架，针对不同飞机的飞控系统仿真算法设计，在本模型框架下进行；包括输入/输出两级监控表决面、控制律和故障综合功能；监控表决功能由4余度实时仿真节点同步、节点间数据交叉传输和余度信号比较表决监控功能构成；飞控系统建模框架完成各功能模块间数据通信和调度，控制算法根据不同飞控系统的特性配置信号数量、类型、比较表决监控策略，设计控制律和故障综合算法。

进一步的，每个实时仿真节点作为一路控制通道，CCDL负责4余度实时仿真节点间通信；每个通道运行相同的控制算法模型，并且判断4个通道运算结果的正确性，构成相似余度配置；4通道必须同时开始仿真，并且每一个实时仿真步长都同步，如果发现任何一个实时仿真节点出现失步则上报失步故障；系统通过CCDL中包含的时钟同步电缆实现系统同步管理；每个仿真周期开始，要求4通道同步一次，确保4个通道在同一时刻进行采样；计算结果输出之前各通道同步一次，确保每个通道信号在同一时刻被输出；各通道的时钟误差不得累计，当通道之间的时钟误差超过规定范围时，则检测出失步通道；

设置采集输入信号和结果输出信号两级表决面，采取投票表决策略，按照少数服从多数的原则将信号值直接比较；每个节点首先交叉数据传输模块中得到的其它节点的数据，然后分别统计节点1、2、3、4的数据在误差设置范围内的得票情况，最后按照少数服从多数的原则将得票最多的数据输出。

一种可配置余度等级的控制律验证方法，包括：

(1)4余度飞控实时仿真系统与模拟器交联；

(2)生成实时系统仿真模型；

(3)对实时系统仿真模型分析；

其中，步骤(1)包括：

(11)利用matlab/Simulink搭建飞控系统算法模型；

(12)在matlab/Simulink中编写测试脚本文件，完成模型各项功能和性能测试；

(13)利用C语言编写飞控仿真系统与模拟器的反射内存通信接口程序；

(14)根据模拟器仿真需求配置“仿真系统软件框架”；

(15)根据动态测试要求配置“监控软件”的matlab/Simulink模型监控点；

(16)通过系统提供的编译工具形成实时系统目标码；

(17)通过下载管理器完成4余度仿真节点的实时目标码同步下载；

(18)通过上述步骤完成了飞控系统仿真建模和系统软件编译加载，最后，通过模拟器的运行闭环动态测试飞控系统功能和性能；

步骤(2)包括：

(21)生成监控软件，监控软件功能包括：控制模型的运行、停止和暂停；数据监控、记录和分析；系统状态实时监控；系统健康检测；

(22)软件整体调度、任务管理、接口管理，数据传输管理、时钟同步管理、硬件资源管理由“仿真系统软件框架”自动完成，用户进行飞控算法设计，包括控制律和余度软件设计；

(23)使用matlab环境设计的“用户仿真模型”和人工编写的“用户C代码”通过实时代码生成软件RTI(Real-Time Interface)自动生成实时代码，并与“仿真系统软件框架”通过“C编译器”进行联编，形成VxWorks实时操作系统目标码，其中“仿真系统软件框架”包括了用户根据需要设置的模型监控信息和运行控制信息；这些目标码通过“下载管理器”同步下载到4余度仿真节点，仿真模型运行过程中的信息反馈给“监控软件”提供给用户测试与监控；

步骤(3)包括：

(31)修改Simulink模型属性，将代码自动剖析过程加入模型属性中；

(32)通过RTI自动生成代码；

(33)自动模型剖析剖析RTI生成的所有文件，并将获得的模型变量和模型层次结构保存到指定文件中；

(34)监控软件打开模型剖析的变量，获得所有模型变量数据用于仿真试验分析；

(35)记录并永久性的保存实时仿真数据；

(36)记录的数据采用Matlab的*.mat文件格式存储；

(37)在Matlab上编写满足使用要求的数据分析软件。

装置实施例

平台结构

可配置余度等级的控制律验证平台主要由：4余度实时仿真节点，软件加载/系统测试计算机，以太网和反射内存网构成，平台结构见图1。其中，4余度实时仿真节点由4台功能、性能、接口和组成完全相同的嵌入式计算机构成，运行VxWork实时操作系统。计算机之间通过CCDL(Cross Communication Data Link交叉通信数据链路)进行数据交叉传输，CCDL还包括一路同步电缆，用于仿真节点间的时钟同步管理。实时仿真节点的功能是运行飞控系统算法，并通过物理I/O接口输入和输出数据。

软件加载和系统测试计算机，完成飞行控制算法的matlab/Simulink建模设计，并将算法模型自动转化为C语言实时代码。通过以太网与4余度实时仿真节点连接，将代码同步下载到4余度实时仿真节点，完成嵌入式软件装载，并且监控实时节点中软件运行情况。软件加载和系统测试计算机还通过反射内存网与4余度实时仿真节点连接，用于记录和分析数据。

仿真节点工作原理

实时仿真节点运行VxWorks操作系统，由操作系统完成硬件管理、健康检测和任务管理。硬件管理功能完成处理器、存储器、接口电路板等的管理与检测。在VxWorks操作系统环境下，飞控算法模型是作为实时任务由任务管理功能完成调度与运行，并且以多任务方式对接口、整体系统运行、硬件驱动、异常处理、任务间通信等进行调度与管理。健康检测功能主要提供处理器和存储器的实时状态监控，以及以太网和反射内存网的状态监控，从而更为直观的了解系统的整体运行状态，实时节点软件见图2。

通过matlab/Simulink与实时系统接口，将使用Matlab开发的飞控系统算法模型自动生成运行于VxWorks操作系统环境下的实时代码并完成模型下载任务。

监控软件接口，是监控软件与实时仿真节点的软件接口，具备多节点监控能力。监控软件根据实时仿真节点的IP地址区分各个仿真节点。通过监控软件在飞控系统算法建模过程中进行监控点设置，在对飞控系统进行故障仿真时通过监控软件接口可以完成对控制信号的故障注入。完成模型运行控制、模型数据采集、监控、存储、分析、实时系统运行监控(健康检测、硬件管理、板卡检测)等。

飞控系统与外部系统接口，用于飞控系统与模拟器或其他外部仿真系统交联。

飞控系统建模框架，提供飞控系统算法建模所必须的基本软件框架，针对不同飞机的飞控系统仿真算法设计，可以在本模型框架下进行。主要包括输入/输出两级监控表决面、控制律和故障综合功能。监控表决功能由4余度实时仿真节点同步、节点间数据交叉传输和余度信号比较表决监控功能构成。模型框架已经完成了各功能模块间数据通信和调度，控制算法设计时只需要根据不同飞控系统的特性配置信号数量、类型、比较表决监控策略，设计控制律和故障综合算法。

多余度仿真节点管理

每个实时仿真节点作为一路控制通道，CCDL负责4余度实时仿真节点间通信，是实现多通道余度管理、数据表决的基础。每个通道运行相同的控制算法模型，并且判断4个通道运算结果的正确性，构成相似余度配置。4通道必须同时开始仿真，并且每一个实时仿真步长都同步。如果发现任何一个实时仿真节点出现失步则上报失步故障。系统通过CCDL中包含的时钟同步电缆实现系统同步管理。每个仿真周期开始，要求4通道同步一次，确保4个通道在同一时刻进行采样。计算结果输出之前各通道同步一次，确保每个通道信号在同一时刻被输出。各通道的时钟误差不得累计，当通道之间的时钟误差超过规定范围时，则检测出失步通道。

设置采集输入信号和结果输出信号两级表决面，采取投票表决策略，按照少数服从多数的原则将信号值直接比较。每个节点首先交叉数据传输模块中得到的其它节点的数据，然后分别统计节点1、2、3、4的数据在误差设置范围内的得票情况，最后按照少数服从多数的原则将得票最多的数据输出。

方法实施例

仿真验证

模拟器的设计是通过建立和运行相应的数学仿真模型来实现对飞机的动力学特性、系统功能以及外部环境的仿真，是设计飞行控制律、验证飞行品质的重要设备，是飞行员全寿命周期介入飞机设计的主要环境和平台。通过模拟器进行闭环仿真可以完成飞控系统控制律、余度管理、系统运行管理的测试验证。分析飞机在各种构型和飞行条件下的飞行品质和任务包线，以飞行员在环评估结果为指导，完善控制律的设计，改善飞机的操纵特性，研究各种作动器和控制环节的响应特性对飞行品质的影响。

该发明能够与模拟器交联，作为其中的飞控计算机仿真部分参与联合仿真。对4余度飞控计算机实时仿真系统进行简单的接口匹配开发和系统控制调度开发就可以与模拟器交联，完成模拟器的飞控系统仿真任务。利用模拟器丰富的软/硬件资源对飞控算法建模进行分析与闭环仿真测试，系统交联结构见图3。

模拟器中飞控系统仿真一般包括飞控计算机仿真、传感器仿真和作动器仿真三个核心部分。主要由飞机模型、大气数据、起落架系统、航电系统、机电系统、供电系统、动力/燃油系统、液压系统等构成的飞行仿真系统通过反射内存网与4余度飞控实时仿真系统交联。完成对飞机本体及飞机各个系统的仿真。驾驶杆、脚蹬、油门杆、各类操纵开关和按钮等设备构成了模拟器的座舱输入；视景、声音和仪表/显示系统是模拟器为操作者提供的用户反馈。

4余度飞控实时仿真系统与模拟器交联的实现步骤如下：

a)利用matlab/Simulink搭建飞控系统算法模型；

b)在matlab/Simulink中编写测试脚本文件，完成模型各项功能和性能测试；

c)利用C语言编写飞控仿真系统与模拟器的反射内存通信接口程序；

d)根据模拟器仿真需求配置“仿真系统软件框架”；

e)根据动态测试要求配置“监控软件”的matlab/Simulink模型监控点；

f)通过系统提供的编译工具形成实时系统目标码；

g)通过下载管理器完成4余度仿真节点的实时目标码同步下载；

h)通过上述步骤完成了飞控系统仿真建模和系统软件编译加载，最后，通过模拟器的运行可以闭环动态测试飞控系统功能和性能。

实时系统仿真模型生成

监控软件主要功能包括：控制模型的运行、停止和暂停；数据监控、记录和分析；系统状态实时监控；系统健康检测等。软件整体调度、任务管理、接口管理，数据传输管理、时钟同步管理、硬件资源管理等由“仿真系统软件框架”自动完成，用户只需进行飞控算法设计，主要包括控制律和余度软件设计。使用matlab环境设计的“用户仿真模型”和人工编写的“用户C代码”通过实时代码生成软件RTI(Real-Time Interface)自动生成实时代码，并与“仿真系统软件框架”通过“C编译器”进行联编，形成VxWorks实时操作系统目标码，其中“仿真系统软件框架”包括了用户根据需要设置的模型监控信息和运行控制信息。这些目标码通过“下载管理器”同步下载到4余度仿真节点，仿真模型运行过程中的信息反馈给“监控软件”提供给用户测试与监控，Simulink仿真模型到实时系统转换流程见图4。

模型分析

通过与模拟器的交联仿真，采用人在回路仿真方式，按照试验要求的测试点和测试用例，对飞控系统算法模型进行验证与分析。模型分析的依据是系统运行后模型外部及内部变量的信息变化情况。因此，进行模型验证与分析必须进行信息采集点设置、信息采集、文件记录等工作。在VxWorks系统的上下位机之间，Tornado为VxWorks系统提供了上下位机的通信协议，实现应用程序下载、程序调试和信息监控等功能。

对实时节点模型任务数据进行监控，需要知道模型中的所有变量。监控软件需要对Simulink的模型进行剖析，使监控软件获得模型变量。并且监控软件获得的模型变量必须和Simulink下的模型变量一致，变量的层次结构也必须和Simulink下一致。模型剖析过程包括：

a)修改Simulink模型属性，将代码自动剖析过程加入模型属性中；

b)通过RTI自动生成代码；

c)自动模型剖析将会剖析RTI生成的所有文件，并将获得的模型变量和模型层次结构保存到指定文件中；

d)监控软件打开模型剖析的变量，获得所有模型变量数据用于仿真试验分析；

e)记录并永久性的保存实时仿真数据，以便仿真试验之后的数据分析与回放；

f)Matlab具有强大的数据分析和处理能力，记录的数据采用Matlab的*.mat文件格式存储。在Matlab环境中可以十分方便地打开，并借助Matlab强大的数据处理功能进行分析；

g)在Matlab上编写满足使用要求的数据分析软件。例如：以曲线或者数值方式显示记录数据；4个节点记录的数据进行相互比较；控制律算法期望值与实际测试值自动对比等。