CN106055728A - 一种民用飞机飞控系统混合异构仿真平台 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种民用飞机飞控系统混合异构仿真平台，本发明采用三个飞行控制模块单元、四个作动器控制电子单元有效支持飞控系统12中不同构架、飞控作动器8种作动策略、飞控系统96中混合异构综合仿真的权衡与评估；通过得到的试验差异数据进行理论上的安全性分析，存入综合控制单元中，构建安全性分析数据库。本发明通过基于心跳时间同步的方法来同步各个接入真件和模型，如果时间不同步置为故障，从而进行故障复现与分析；通过统一的总线管理单元，接口仿真单元进行各个接入真件和模型之间的接口分析和对比，通过历史数据、试验数据的方法同步完善模型的仿真度，改善模型与真件之间的差异。

Description

一种民用飞机飞控系统混合异构仿真平台

技术领域

本发明属于民用飞机飞行控制领域，具体涉及一种民用飞机飞控系统混合异构仿真平台。

背景技术

民用飞机飞控系统混合异构仿真平台是一种民用飞机的仿真测试平台，主要用于飞控系统模型仿真开发、真件接入系统的测试与验证，以及模型与真件混合异构情况下的联合仿真。在常见的民用飞机飞控系统仿真平台中，主要有真件构成的铁鸟平台，或基于单个计算机进行建模的飞控系统模型平台，对于传统的飞控铁鸟平台，由于存在多个版本飞控软硬件升级，其所涉及的构型差异评估，安全性影响分析，系统功能故障重现，以及多系统软件融合应用是亟待解决的问题，对于单个计算机的飞控系统模型，由于仿真接口不清晰，仿真程度不高，一直处于模型开发阶段，还不能替代铁鸟试验台，其模型替代功能还不突出。但是，基于模型的开发平台可以较好的提供系统功能需求定义、需求捕获、需求实现、功能验证的全流程过程，为系统功能的可追溯性提供便利，而飞控系统硬件真件平台可以提供较为全面的飞控系统功能，将两者的优势进行结合，进行混合异构仿真开发是该平台的主要目的。

传统的飞控铁鸟平台，由于存在多个版本飞控软硬件升级，其所涉及的构型差异评估，安全性影响分析，系统功能故障重现，以及多系统软件融合应用是亟待解决的问题；单个计算机进行的飞控系统仿真模型，由于仿真接口不清晰，仿真程度不高，一直处于模型开发阶段，还不能替代铁鸟试验台，其模型替代功能还不突出；本发明旨在解决飞控铁鸟平台多个版本软硬件升级后的构型差异对比、安全性评估分析、系统功能故障重现，以及多个系统中模型构建接口不清楚，仿真程度不高的问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种民用飞机飞控系统混合异构仿真平台，用于实现物理真件和仿真模型的混合异构飞控系统仿真、测试与验证，所述平台包括：

作动器控制电子单元，所述作动器控制电子单元用于作动器控制电子模型与作动器控制电子模块真件的一一对应；

飞行控制模块单元，所述飞行控制模块单元用于实现飞行控制仿真模型与飞控控制模块真件的一一对应；

总线管理单元，所述总线管理单元用于实现飞控系统混合异构仿真平台的冗余管理，异构管理及同步管理；

所述作动器控制电子单元连接飞行控制模块单元，所述总线管理单元同时连接作动器控制电子单元和飞行控制模块单元；

进一步地，所述飞行控制模块单元可实现一个真件替代、部分真件替代、全部真件替代的无缝式真假件混合异构仿真，输出飞行控制中的各种控制模式指令，并发送给作动器控制电子；

进一步地，述的飞行控制模块单元包括三种软硬件非相似的混合异构飞行控制模块，在全模型构型、一模型两真件构型、两模型一真件构型和全真件构型下提供飞控系统主-主-主、主-主-从、主-从-从共计12种飞行控制架构的权衡分析，并根据上述12种飞行控制架构的设计方案，从系统安全性、可靠性、系统运算性能、响应时间、同步关系角度综合评价混合异构模型的效能和特点；

进一步地，所述作动器控制电子单元可实现一个真件替代、部分真件替代、全部真件替代的无缝式真假件混合异构仿真，执行飞控控制单元发出的指令，执行作动系统的作动；

进一步地，所述的作动器控制电子单元包括四种软硬件非相似的混合异构作动器控制模块，在全模型构型、一模型三真件构型、两模型两真件构型、三模型一真件构型、全真件构型下，执行飞行控制模块指令，或直接运行作动器控制电子中的控制算法，并提供8种作动策略，从作动系统的安全性、执行效率、响应时间角度综合评估作动器系统的效能和特点；

进一步地，所述的总线管理单元提供基于心跳时间触发的同步算法，用于同步接入总线系统的飞控控制模型与真件、作动器控制电子模型与真件；

进一步地，所述平台还包括：

综合控制单元，所述单元用于实现飞控系统的全过程仿真管理，飞控计算机、作动器控制电子真件接入与上述仿真模型的无缝对接，为平台提供可执行、可异构、可混合的技术方法；

视景显示单元，所述单元用于飞机模型、飞控计算机模型、作动器控制电子模型显示，以及对应的飞控系统各部件真件简图页混合异构显示；

操纵指令单元，所述单元用于产生仿真与实际真件接入后的控制指令生成，记录，保存；

综合仿真单元，所述单元用于实现飞机仿真模型，设置虚拟交联的航电设备模型，提供各种飞行包线下的航电缺省参数的输入与输出交互指令；

接口仿真单元，所述单元提供多种IO双向映射关系；

进一步地，所述综合控制单元用于裁剪和补充飞控控制模型与真件之间、作动器控制电子模型与真件之间的差异，保护飞控系统数字化仿真模型到飞控系统全真件平台的无缝连接；

进一步地，所述接口仿真单元用于测试系统中的数据帧，同步方式，同步性能参数仿真；

进一步地，所述平台在部分真件、部分仿真模型混合异构仿真下，在真件构型确定情况下用于验证仿真模型的逼真度，在仿真模型构型确定情况下用于测试真件模块的完整性。

本发明的有益效果如下：

1）由于平台采用混合异构仿真方法，因此可以将真件的多个软硬件版本进行混合接入，通过综合控制单元，总线管理单元等外围设备进行统一管理，较为清楚的理解版本升级中的差异；

2）通过得到的试验差异数据进行理论上的安全性分析，存入综合控制单元中，构建安全性分析数据库；

3）通过基于心跳时间同步的方法来同步各个接入真件和模型，如果时间不同步置为故障，从而进行故障复现与分析；

4）通过统一的总线管理单元，接口仿真单元进行各个接入真件和模型之间的接口分析和对比，通过历史数据、试验数据的方法同步完善模型的仿真度，改善模型与真件之间的差异。

附图说明

图1为本发明民用飞机飞控系统混合异构仿真台与试验测试设备机柜结构示意图；

图2为本发明民用飞机飞控系统混合异构仿真平台系统组成图；

图3为本发明总线管理单元基于心跳时间触发的同步算法原理图；

图4为本发明混合异构飞行控制模块、混合异构作动器控制电子模块原理示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。下面为本发明的举出最佳实施例：

如图1-图4所示，本发明提供一种民用飞机飞控系统混合异构仿真平台，所述平台包括：综合控制单元、视景显示单元、操纵指令单元、综合仿真单元、飞行控制模块单元、作动器控制电子单元、接口仿真单元及总线管理单元；其中，

所述的综合控制单元，实现飞控系统的全过程仿真管理，飞控计算机、作动器控制电子真件接入与上述仿真模型的无缝对接；

所述的视景显示单元，用于飞机模型、飞控计算机模型、作动器控制电子模型显示，以及对应的飞控系统各部件真件简图页混合异构显示；

所述的操纵指令单元，用于产生仿真与实际真件接入后的控制指令生成，记录，保存；

所述的综合仿真单元，实现飞机仿真模型，设置虚拟交联的航电设备模型，提供各种飞行包线下的航电缺省参数的输入与输出交互指令；

所述的飞行控制模块单元，实现飞行控制仿真模型与飞控控制模块真件的一一对应，可实现一个真件替代、部分真件替代、全部真件替代的无缝式真假件混合异构仿真，输出飞行控制中的各种控制模式指令，并发送给作动器控制电子；

所述的作动器控制电子单元，用于作动器控制电子模型与作动器控制电子模块真件的一一对应，可实现一个真件替代、部分真件替代、全部真件替代的无缝式真假件混合异构仿真，执行飞控控制单元发出的指令，执行作动系统的作动；

所述的接口仿真单元，提供多种IO双向映射关系，用于测试系统中的数据帧，同步方式，同步性能参数仿真；

所述的总线管理单元，实现飞控系统混合异构仿真平台的冗余管理，异构管理，同步管理。

所述的飞行控制模块单元包括三种软硬件非相似的混合异构飞行控制模块，在全模型构型、一模型两真件构型、两模型一真件构型、全真件构型下提供飞控系统主-主-主、主-主-从、主-从-从共计12种飞行控制架构的权衡分析，根据上述12种飞行控制架构的设计方案，从系统安全性、可靠性、系统运算性能、响应时间、同步关系等角度综合评价混合异构模型的效能和特点。

所述的作动器控制电子单元包括四种软硬件非相似的混合异构作动器控制模块，在全模型构型、一模型三真件构型、两模型两真件构型、三模型一真件构型、全真件构型下，执行飞行控制模块指令，或直接运行作动器控制电子中的控制算法，提供8种作动策略，从作动系统的安全性、执行效率、响应时间等角度综合评估作动器系统的效能和特点。

所述的总线管理单元提供基于心跳时间触发的同步算法，用于同步接入总线系统的飞控控制模型与真件、作动器控制电子模型与真件；

所述综合控制单元用于裁剪和补充飞控控制模型与真件之间、作动器控制电子模型与真件之间的差异，保护飞控系统数字化仿真模型到飞控系统全真件平台的无缝连接，为平台提供可执行、可异构、可混合的技术方法。

所述的飞控系统混合异构仿真平台具有真假件混合开发能力，在部分真件、部分仿真模型混合异构仿真下，在真件构型确定情况下用于验证仿真模型的逼真度，在仿真模型构型确定情况下用于测试真件模块的完整性，为民用飞机飞控系统提供一种真假混合异构的仿真验证与测试验证平台。

本发明实施例提供一种民用飞机飞控系统混合异构平台，如图1所示，该平台包括：仿真飞机模拟驾驶舱，将视景显示单元、操纵指令单元、飞行控制模块单元、作动器控制电子单元集成在飞机模拟驾驶舱中，另外还包含接口仿真单元、总线管理单元、综合控制单元、综合仿真单元，将集成在飞控系统测试机柜中；所述视景显示单元用于飞机模型显示、飞行状态显示、主飞行界面显示，以及飞控计算机模型、作动器控制电子模型显示，并与对应的飞控系统各部件真件简图页混合异构显示，根据试验项目内容的不同，开发基于计算机C（C++）语言的视景软件，将上述功能集成在模拟驾驶舱中进行综合显示。所述的操纵指令单元包括被动侧杆、方向舵/刹车/脚蹬等半物理件，减速板手柄/飞行模式控制面板等虚拟信号的操作界面，将上述半物理件和虚拟软件集成在模拟驾驶舱中，产生飞行过程所需的各控制指令，该单元软件开发为基于计算机C（C++）语言的操纵软件，将上述功能集成在模拟驾驶舱中。所述的飞行控制模块单元实现飞行控制仿真模型与飞控控制模块真件的一一对应，可实现一个真件替代、部分真件替代、全部真件替代的无缝式真假件混合异构仿真，输出飞行控制中的正常模式、辅助模式、直接模式指令，模型与真件之间具有余度通道同步、交叉数据传输功能，并将状态和降级指令发送给综合控制单元中进行集中显示，飞行控制模块单元开发与裁减的软件为基于VxWorks系统的模块化模型软件。所述的作动器控制电子单元用于作动器控制电子模型与作动器控制电子模块真件的一一对应，可实现一个真件替代、部分真件替代、全部真件替代的无缝式真假件混合异构仿真，执行飞控控制单元发出的指令，执行正常模式、辅助模式、直接模型下的作动指令运算，支持系统的自检测、系统监控、模型与真件联合下的故障重构，并为综合控制单元提供故障指令显示，作动器控制电子单元开发与裁减的软件为基于VxWorks系统的模块化模型软件。所述的集成在机柜中的接口仿真单元，提供多种板卡IO双向映射关系，用于测试系统中的数据帧，同步方式，同步性能参数仿真；所述的集成在机柜中的总线管理单元，实现飞控系统混合异构仿真平台的冗余管理，异构管理，同步管理；所述的集成在机柜中的综合控制单元，实现飞控系统的全过程仿真管理，飞控计算机、作动器控制电子真件接入与上述仿真模型的无缝对接；所述的集成在机柜中的综合仿真单元，实现飞机仿真模型，设置虚拟交联的航电设备模型，提供各种飞行包线下的航电缺省参数的输入与输出交互指令。

本发明实施例提供一种民用飞机飞控系统混合异构仿真平台系统，系统组成图如图2所示。

本发明实施例提供一种基于心跳时间触发的同步算法，算法原理图如图3所示。所述的总线管理单元中的基于心跳时间触发的同步算法，将由总线管理单元在多余度总线上发送带有心跳帧的数据帧，总线上的各个单元根据各自心跳帧与总线帧进行对比确认，在误差允许范围内进行时间同步调整，当有总线节点成员出现无心跳帧情况，将心跳时间触发同步帧发送三次，进行复苏同步，若三次无效将认定该节点故障，将进入故障模式。基于心跳时间触发的同步算法用于同步接入总线系统的飞控控制模型与真件、作动器控制电子模型与真件，综合控制单元用于裁剪和补充飞控控制模型与真件之间、作动器控制电子模型与真件之间的差异，保护飞控系统数字化仿真模型到飞控系统全真件平台的无缝连接，为软硬件非相似的混合异构飞行控制模块、软硬件非相似的混合异构作动器控制模块提供可执行、可异构、可混合的技术方法。

本发明实施例提供混合异构飞行控制模块、混合异构作动器控制电子模块，其原理图如图4所示。软硬件非相似的混合异构飞行控制模块，在全模型构型、一模型两真件构型、两模型一真件构型、全真件构型下提供飞控系统主-主-主、主-主-从、主-从-从共计12种飞行控制架构的权衡分析，根据上述12种飞行控制架构的设计方案，从系统安全性、可靠性、系统运算性能、响应时间、同步关系等角度综合评价混合异构模型的效能和特点。软硬件非相似的混合异构作动器控制模块，在全模型构型、一模型三真件构型、两模型两真件构型、三模型一真件构型、全真件构型下，执行飞行控制模块指令，或直接运行作动器控制电子中的控制算法，提供8种作动策略，从作动系统的安全性、执行效率、响应时间等角度综合评估作动器系统的效能和特点，从而达到96种不同的混合异构方式。

本发明实施例所述的飞控系统混合异构仿真平台实现了飞控系统真件与仿真模型无缝连接的综合仿真能力，提供了基于心跳时间触发的同步算法，并集成在飞机模拟驾驶舱和飞控系统测试机柜中。

本发明所述平台由总线管理单元统筹管理连接在冗余网络的各个节点，并采用基于心跳时间同步的方法，使各个节点保持一致；其次，系统中同步算法适用于模型，同样也适用于接入的真件，从而达到了混合异构仿真的目的；最后，所述的混合异构仿真平台还包括综合控制单元、实景显示单元、接口仿真单元等外设部分，共同构成可混合异构的仿真平台。

本发明所述的飞控系统混合异构仿真平台由于加入了总线管理系统和综合控制单元，使得基于模型的仿真平台升级为半模型半真件的混合异构仿真平台，甚至可以升级为全真件接入的飞控系统测试平台。

本发明所述的混合异构是指飞行控制模块单元与作动器控制电子单元的多冗余非相似结构下的真假件混合异构，这种混合异构构架强调的真件与模型的信号交互、时间同步、运算指令的发出与执行，从而共同构成飞控系统仿真平台。

本发明所述的基于心跳时间同步的系统论述的是总分式的心跳时间同步方法，由总线系统发出三余度心跳波形，分别与接入系统中的各个模型、真件的各自心跳频率进行三次比对，通过误差计算分析，判断是否需要误差校正，从而达到时间同步的目的。所述的基于心跳时间同步的系统是一种总分式多冗余的心跳时间同步方法。

本发明采用三个飞行控制模块单元、四个作动器控制电子单元、总线管理单元、以及综合仿真单元等外设设备，共同构成可以真件模型混合异构的地面使用的飞控系统仿真平台。

本发明所述平台还支持以下功能：

1)支持飞控系统12种不同架构的权衡与评估；

2)支持飞控作动器8种作动策略的权衡与评估；

3)支持飞控系统96种混合异构的综合仿真；

4)支持飞控系统部分真件至全部真件的替代及测试；

5)支持飞控计算机、作动器控制电子、作动器的评估与验证；

6)支持飞控系统总线的仿真及测试；

7)支持不同飞控系统总线的评估与验证；

8)支持飞控系统控制算法的开发及测试；

9)支持作动器控制算法的开发与测试。

以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种民用飞机飞控系统混合异构仿真平台，用于实现物理真件和仿真模型的混合异构飞控系统仿真、测试与验证，其特征在于，所述平台包括：

作动器控制电子单元，所述作动器控制电子单元用于作动器控制电子模型与作动器控制电子模块真件的一一对应；

飞行控制模块单元，所述飞行控制模块单元用于实现飞行控制仿真模型与飞控控制模块真件的一一对应；

总线管理单元，所述总线管理单元用于实现飞控系统混合异构仿真平台的冗余管理，异构管理及同步管理；

所述作动器控制电子单元连接飞行控制模块单元，所述总线管理单元同时连接作动器控制电子单元和飞行控制模块单元。

2.根据权利要求1所述的平台，其特征在于，所述飞行控制模块单元可实现一个真件替代、部分真件替代、全部真件替代的无缝式真假件混合异构仿真，输出飞行控制中的各种控制模式指令，并发送给作动器控制电子。

3.根据权利要求2所述的平台，其特征在于，所述的飞行控制模块单元包括三种软硬件非相似的混合异构飞行控制模块，在全模型构型、一模型两真件构型、两模型一真件构型和全真件构型下提供飞控系统主-主-主、主-主-从、主-从-从共计12种飞行控制架构的权衡分析，并根据上述12种飞行控制架构的设计方案，从系统安全性、可靠性、系统运算性能、响应时间、同步关系角度综合评价混合异构模型的效能和特点。

4.根据权利要求3所述的平台，其特征在于，所述作动器控制电子单元可实现一个真件替代、部分真件替代、全部真件替代的无缝式真假件混合异构仿真，执行飞控控制单元发出的指令，执行作动系统的作动。

5.根据权利要求4所述的平台，其特征在于，所述的作动器控制电子单元包括四种软硬件非相似的混合异构作动器控制模块，在全模型构型、一模型三真件构型、两模型两真件构型、三模型一真件构型、全真件构型下，执行飞行控制模块指令，或直接运行作动器控制电子中的控制算法，并提供8种作动策略，从作动系统的安全性、执行效率、响应时间角度综合评估作动器系统的效能和特点。

6.根据权利要求5所述的平台，其特征在于，所述的总线管理单元提供基于心跳时间触发的同步算法，用于同步接入总线系统的飞控控制模型与真件、作动器控制电子模型与真件。

7.根据权利要求5所述的平台，其特征在于，所述平台还包括：

综合控制单元，所述单元用于实现飞控系统的全过程仿真管理，飞控计算机、作动器控制电子真件接入与上述仿真模型的无缝对接，为平台提供可执行、可异构、可混合的技术方法；

视景显示单元，所述单元用于飞机模型、飞控计算机模型、作动器控制电子模型显示，以及对应的飞控系统各部件真件简图页混合异构显示；

操纵指令单元，所述单元用于产生仿真与实际真件接入后的控制指令生成，记录，保存；

综合仿真单元，所述单元用于实现飞机仿真模型，设置虚拟交联的航电设备模型，提供各种飞行包线下的航电缺省参数的输入与输出交互指令；

接口仿真单元，所述单元提供多种IO双向映射关系。

8.根据权利要求7所述的平台，其特征在于，所述综合控制单元用于裁剪和补充飞控控制模型与真件之间、作动器控制电子模型与真件之间的差异，保护飞控系统数字化仿真模型到飞控系统全真件平台的无缝连接。

9.根据权利要求8所述的平台，其特征在于，所述接口仿真单元用于测试系统中的数据帧，同步方式，同步性能参数仿真。

10.根据权利要求8所述的平台，其特征在于，所述平台在部分真件、部分仿真模型混合异构仿真下，在真件构型确定情况下用于验证仿真模型的逼真度，在仿真模型构型确定情况下用于测试真件模块的完整性。