CN107292500A - 一种航空发动机控制系统多用户协同仿真的资源调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种航空发动机控制系统多用户协同仿真的资源调度方法，其特征在于：所述航空发动机控制系统多用户协同仿真包括服务器、客户端和模型端，所述客户端与服务器、所述客户端与模型端之间均通过TCP Socket通信协议进行数据通信，真正意义上实现了多用户协同设计和集成的功能。本发明的多用户协同仿真的资源调度方法能够满足航空发动机控制系统研发的底层需求，可以避免航空发动机控制系统建模时的重复工作，同时允许用户在线地修改控制器/传感器/执行机构模型，另外还支持多用户协同设计和集成，从而大大地提高了研发效率，降低了研发成本。

Description

一种航空发动机控制系统多用户协同仿真的资源调度方法

技术领域

本发明属于航空发动机控制系统数值仿真技术领域，特别涉及一种航空发动机控制系统多用户协同仿真的资源调度方法。

背景技术

航空推进系统的研发涉及到气动热力学、燃烧学、传热学、结构强度、电子控制技术等诸多学科，技术难度大、研发周期长、研制费用高，是一个国家科技工业水平和综合国力的重要标志。目前，全球各国航空科技界都在积极地寻找高效率、低成本、低风险的航空推进系统的研发方案。

计算机仿真技术是解决上述问题的有效途径之一，它通过建立对象的数学模型，结合计算流体力学(CFD)、计算机辅助设计技术(CAD)等对航空推进系统进行性能评估及优化设计，可大大缩短航空推进系统研发周期，减少研制费用，同时降低实验风险。

为了充分利用先进的数字化信息和通讯技术，NASA与美国国防部于1989年正式提出了发展“推进系统数值仿真”技术(Numerical Propulsion System Simulation,简称NPSS)的研究计划。该计划采用最先进的面向对象及远程网络协同工作技术，致力于航空推进系统的多学科综合仿真，可节约30～40％的发动机研制时间和费用。另据了解，俄、英、法、德、日、印等国都在大力发展航空推进系统数值仿真技术。

中国专利201310440242.8公开了“一种航空发动机控制系统的快速原型仿真方法”，该方法首先建立控制算法模型，利用虚拟仪器技术及实时硬件平台进行控制系统的原型设计，通过自动代码生成技术将设计好的航空发动机控制算法模型编译并下载至实时硬件平台上，快速建立控制算法原型机；其次，快速控制原型机负责采集发动机模拟器经过信号接口单元后的输出信号，根据控制指令计算出发动机的相关控制量并发送给发动机模拟器，实现对发动机的闭合回路控制；最后，控制系统设计者通过监控计算机实时观测控制效果，根据设计者对控制系统的性能要求不断对控制算法模型进行修改，重复快速控制原型机闭合回路仿真过程，直至满足控制系统设计者的要求。但该方法还存在以下明显不足：一是用户无法在线地修改航空发动机控制系统中的传感器模型和执行机构模型，因为该方法所述的航空发动机控制系统没有为用户提供在线地修改传感器模型及执行机构模型的接口；二是当用户对控制算法模型进行修改后，新的控制算法模型会直接替换原有版本，因此无法做到对于控制算法模型的版本控制；三是不具有多用户协同设计和集成的功能。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足而提供一种航空发动机控制系统多用户协同仿真的资源调度方法，本发明的多用户协同仿真的资源调度方法能够满足航空发动机控制系统研发的底层需求，可以避免航空发动机控制系统建模时的重复工作，同时允许用户在线地修改控制器/传感器/执行机构模型，另外还支持多用户协同设计和集成，从而大大地提高了研发效率，降低了研发成本。

根据本发明提出的一种航空发动机控制系统多用户协同仿真的资源调度方法，其特征在于：所述航空发动机控制系统多用户协同仿真包括服务器、客户端和模型端，所述客户端与服务器以及所述客户端与模型端之间均通过TCP Socket通信协议进行数据通信；其中：所述模型端包含多个部件级的航空发动机模型、航空发动机控制器模型、传感器模型和执行机构模型；所述客户端被用于用户与仿真系统的交互，所述交互包括连接/断开服务器、发动机模型选择、上传用户自行设计的控制器/传感器/执行机构模型、飞行条件设定、发动机模型启动和发动机运行参数显示；所述服务器包含监听模块及模型调用模块，所述服务器为每一个新接入的用户创建个人工作空间，再将所述模型端拷贝至所述个人工作空间并生成模型副本，然后所述服务器断开与所述客户端的连接，所述客户端再连接至所述模型副本，所述用户与所述模型副本一一对应，所述用户之间互不影响，同时所述用户对所述模型副本所做的改动也不会影响所述模型端；当多个用户的工作需要集成时，在集成工作空间内，由集成工程师经审核、集成、验证及提交后完成集成工作，从而实现多用户协同设计和集成的功能。

本发明提出的一种航空发动机控制系统多用户协同仿真的资源调度方法的进一步的优选方案是：

所述模型端还包括发动机模型模块及Socket通信模块；所述模型端预先被编译生成为可执行文件，系统运行时由所述服务器调用该可执行文件；所述模型端被调用时，首先开启所述服务器Socket等待用户连接，当所述用户连接成功，所述模型端接收由所述用户设定的飞行状态参数，所述发动机模型运行，然后将各状态参数反馈给所述客户端；当所述客户端断开连接时，所述模型端自动关闭进程，从而释放资源，保证系统稳定高效地运行。

所述服务器为每一个接入的用户创建个人工作空间是指，当所述用户连接所述服务器时，所述服务器首先获取所述用户的IP地址及端口号；然后在指定路径下建立所述用户的个人文件夹，并以该用户的IP地址及端口号为该个人文件夹命名，对于任意两个所述用户，因各自的IP地址和端口号组成的标识符不可能完全相同，因此每个用户都可以获取独立的工作空间。

所述服务器的调用模型端，对应每一个用户，使所述服务器带参数地调用其个人工作空间内的模型副本，所述参数即作为模型副本中服务器Socket的监听端口。

所述服务器带参数地调用其个人工作空间内的模型副本涉及的所述参数的起始值为4000，即调用的第一个所述模型副本中服务器Socket的监听端口号为4000；之后每有一个用户接入，所述参数值自动加1，因此各个模型副本中服务器Socket的监听端口号都不相同，保证了所述航空发动机控制系统多用户协同设计的正常运行。

所述客户端与所述模型副本进行交互是指，所述服务器带参数地调用其所述个人工作空间内的模型副本后，先将该参数值发送至所述客户端，然后断开与所述客户端的连接，回到监听状态，等待下一个用户的接入；同时，所述客户端接收服务器传来的参数值，并向该参数值的端口发出Socket连接请求；如上所述，该参数即为所述模型副本中服务器Socket的监听端口，因此所述客户端可以与其所述个人工作空间内的模型副本建立Socket连接。

本发明与现有技术相比其显著优点在于：

一是运用本发明的多用户协同仿真的资源调度方法的航空发动机控制系统，不仅包含多个部件级的航空发动机模型，同时还包含航空发动机控制器、传感器和执行机构模型，从而避免了航空发动机控制系统研发人员建模时的重复工作，大大地提高了研发效率，降低了研发成本。

二是运用本发明的多用户协同仿真的资源调度方法，用户可以在线地修改控制器/传感器/执行机构模型，并验证效果。

三是运用本发明的多用户协同仿真的资源调度方法，用户对模型所做的改动只影响模型副本，而不影响模型端，因此航空发动机控制系统的基线版本不受用户改动的影响。

四是运用本发明的多用户协同仿真的资源调度方法，多用户可同时接入航空发动机控制系统，且每一个用户都可以获取独立的个人工作空间，用户彼此互不影响。

五是运用本发明的多用户协同仿真的资源调度方法，集成工程师可以在集成空间内对多个用户的工作进行集成，从而真正意义上实现了多用户协同设计和集成的功能。

附图说明

图1为本发明提出的一种航空发动机控制系统多用户协同仿真的架构示意图。

图2为TCP Socket通信协议的原理示意图。

图3为本发明提出的多用户协同设计和集成的功能示意图。

图4为本发明提出的一种航空发动机控制系统多用户协同仿真的工作流程示意图。

图5为运用本发明提出的一种航空发动机控制系统多用户协同仿真的资源调度方法，当用户接入系统时客户端的工作情况示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。

本发明提出的一种航空发动机控制系统多用户协同仿真的资源调度方法，其所述航空发动机控制系统多用户协同仿真包括服务器、客户端和模型端，所述客户端与服务器、所述客户端与模型端之间均通过TCP Socket通信协议进行数据通信；其中：所述模型端包含多个部件级的航空发动机模型，以及航空发动机控制器模型、传感器模型和执行机构模型；所述客户端被用于用户与仿真系统的交互，所述交互包括连接/断开服务器、发动机模型选择、上传用户自行设计的控制器/传感器/执行机构模型、飞行条件设定、发动机模型启动和发动机运行参数显示；所述服务器包含监听模块及模型调用模块，所述服务器为每一个新接入的用户创建个人工作空间，再将所述模型端拷贝至所述个人工作空间并生成模型副本，然后所述服务器断开与所述客户端的连接，所述客户端再连接至所述模型副本，所述用户与所述模型副本一一对应，所述用户之间互不影响，同时所述用户对所述模型副本所做的改动也不会影响所述模型端，当所述多个用户的工作需要集成时，在集成空间内，由集成工程师经审核、集成、验证及提交后完成集成工作，从而真正意义上实现了多用户协同设计和集成的功能。

下面结合附图进一步公开本发明的具体实施例。

实施例1。图1是本发明提出的一种航空发动机控制系统多用户协同仿真的架构示意图。图1中所述仿真系统包括服务器、客户端和模型端，所述客户端与服务器、所述客户端与模型端之间均通过互联网进行数据通信；其中：所述模型端包含航空发动机模型，以及航空发动机控制器模型、传感器模型和执行机构模型；所述客户端被用于用户与所述仿真系统的交互。控制工程师可以利用所述仿真系统进行航空发动机模型、控制算法、传感器/执行机构模型的开发，性能工程师可以利用所述仿真系统进行航空发动机部件设计、航空发动机健康管理、航空发动机气路故障注入及诊断、传感器故障注入及诊断的研究，集成工程师利用所述仿真系统对工作进行审核、集成、验证及提交。当集成工程师完成集成工作后，向平台管理者提供新的基线版本，平台管理者就可以更新所述仿真系统的基线。所述仿真系统提供多个全包线的航空发动机部件级模型，用户可以选择航空发动机模型并设定飞行的状态参数，进行仿真并实时观察、记录仿真结果；同时，用户可以将自己设计的航空发动机控制器、传感器模型及执行机构模型提交给系统以验证控制效果。此外，该系统还支持多用户协同设计功能。如某课题组的多位成员可以同时接入服务器，而彼此互不影响。服务器为每一个用户创建独立的工作空间。若多位用户的工作需要集成，则由集成工程师经审核、集成、验证及提交后完成集成工作，从而实现多用户协同设计和集成的功能。本发明的多用户协同仿真的资源调度方法能够满足航空发动机控制系统研发的底层需求，可以避免航空发动机控制系统建模时的重复工作，同时允许用户在线地修改控制器/传感器/执行机构模型，另外还允许多用户协同设计和集成，从而大大地提高了研发效率，降低了研发成本。

实施例2。图2是TCP Socket通信协议的原理示意图。图2中“Socket”的中文名为“套接字”，图2中当网络上的两个程序通过一个双向的通信连接实现数据的交换，这个连接的一端就称为一个Socket；通信时，服务器端先初始化Socket，建立流式套接字，然后为Socket配置(bind)本地端口和IP，监听(listen)服务器请求，并调用accept阻塞，等待客户端连接；在这时如果有个客户端初始化一个Socket，然后与远端服务器连接(connect)，如果连接成功，这时客户端与服务器端的连接就建立了；客户端发送(send)数据请求，服务器端接收请求(recv)并处理请求，然后把回应数据发送给客户端，客户端接收信息，最后关闭连接(close)，一次交互结束。

实施例3。图3为本发明提出的多用户协同设计和集成功能示意图。图3中的多用户协同设计是本发明的一项重要功能，该功能要求多位用户能够同时、异地且独立地接入服务器，并进行航空发动机控制系统的分析、设计及验证，而用户间互不影响。为了实现该功能，服务器为每一个用户创建个人工作空间，并将模型端拷贝到此空间以创建一个模型副本，供用户修改、编译及使用，而模型端的基线版本保持不变。模型运行的情况也会及时地反馈给用户。用户接入系统时客户端工作情况示意图如图5所示，用户在所述客户端的“发动机工况设定区”选择要使用的发动机模型，并点击“发送文件”按钮选择要上传的由用户自行设计的控制器/传感器/执行机构模型，然后设定不同的发动机工作参数,最后用户点击“模型启动”按钮，发动机模型运行，发动机运行时的各物理参数会在所述客户端的“发动机运行参数显示区”实时地显示出来，这些运行参数包括发动机推力、耗油率、排气温度、高压轴转速、低压轴转速及涵道比。每个用户唯一地对应其个人工作空间和个人模型副本，用户彼此互不影响，因此每个客户端都独立工作，客户端间互不影响，发动机模型运行的情况也完全独立。这样，系统将每一个用户的工作内容保存在其个人工作空间内，当多个用户的工作需要集成时，在集成空间内，由集成工程师经审核、集成、验证及提交后完成集成工作，从而真正意义上实现了多用户协同设计和集成的功能。

实施例4。图4为本发明提出的一种航空发动机控制系统多用户协同仿真的工作流程示意图。图4中所述航空发动机控制系统多用户协同仿真包括服务器、客户端和模型端三个部分，下面就这三个部分进行详细说明：

一是模型端。模型端是该仿真系统的核心，主要包括发动机模型及服务器Socket通信模块、控制器模型模块、传感器模型模块及执行机构模型模块。其中，发动机模型及服务器Socket通信模块已被编译生成可执行文件Engine.exe，系统运行时由服务器调用该可执行文件；而控制器模型、传感器模型及执行机构模型作为三个独立的模块，和Engine.exe一同构成模型端。当模型端被调用时，首先接收服务器传递的参数值，建立服务器Socket并绑定该参数值所代表的端口号，然后监听该端口号等待用户连接。当用户连接成功，模型端接收由用户设定的飞行状态参数，发动机模型运行，然后将各状态参数反馈给客户端。当客户端断开连接时，模型端自动关闭进程，从而释放资源，保证系统稳定高效地运行。

二是客户端。用户通过客户端与仿真系统进行交互，这些交互包括连接/断开服务器、发动机模型选择、上传用户自行设计的控制器/传感器/执行机构模型、飞行条件设定、发动机模型启动和发动机运行参数显示。

三是服务器。服务器为WIN32控制台应用程序，主要包括Socket通信模块及模型端调用模块。工作时，首先打开服务器，则服务器开启Socket监听，等待用户接入。当有用户向服务器发出连接请求时，服务器响应用户请求建立连接，然后调用模型端并断开与客户端的连接，等待下一个用户接入。

如图4所示，本发明提出的一种航空发动机控制系统多用户协同仿真的工作流程公开如下：

(1)系统工作时，先打开服务器，则服务器开启Socket监听，等待用户接入。

(2)当用户向服务器发出连接请求，服务器就响应用户请求，与用户建立Socket连接。

(3)然后服务器获取该用户的IP地址及Socket连接的端口号，从而在指定路径下为该用户创建个人工作空间，并以用户的IP地址和端口号作为标识符，为该个人工作空间命名。因为对任意两位用户，由他们各自的IP地址和端口号构成的标识符不可能完全相同，因此每位用户都可以获取独立的个人工作空间。

(4)服务器拷贝模型端至用户个人工作空间，以生成模型副本，供用户修改、编译及使用。这样用户与模型副本一一对应，某一用户对模型所做的改动并不会影响其他用户。

(5)用户可通过客户端上传自己设计的控制器/传感器/执行机构模型。服务器会将接收到的控制器/传感器/执行机构模块保存到用户个人工作空间，且自动替换模型副本中相应的控制器/传感器/执行机构模块。

(6)服务器带参数地调用上述空间内的模型副本，该参数的起始值为4000，之后每有一个用户接入，该参数值自动加1；此参数即作为模型副本中服务器Socket的监听端口；各模型副本中服务器Socket的监听端口号都不相同，保证了多用户协同设计时系统的正常运行。

(7)服务器将参数值发送至客户端，然后断开与客户端的连接。客户端接收到服务器传递来的参数值，即向该参数值代表的端口发起连接请求。如前所述，此参数值也即是模型副本中服务器Socket的监听端口号，因此客户端可以与个人空间内的模型端建立Socket连接。

(8)用户设定发动机运行工况，并启动模型副本。

(9)发动机模型运行，将发动机运行参数发送至客户端。

(10)客户端接收并保存发动机运行数据。

(11)关闭客户端。当客户端关闭时，模型端会检测到Socket连接断开，然后模型端也会自动关闭，从而释放系统资源，保证系统稳定高效地运行。

实施例5。图5为运用本发明提出的一种航空发动机控制系统多用户协同仿真的资源调度方法，当用户接入系统时客户端的工作情况示意图。用户接入服务器，在“发动机工况设定区”选择要使用的发动机模型，并点击“发送文件”按钮选择要上传的由用户自行设计的控制器/传感器/执行机构模型，然后设定不同的发动机工作参数,最后用户点击“模型启动”按钮，发动机模型运行，发动机运行时的各物理参数会在所述客户端的“发动机运行参数显示区”实时地显示出来，这些运行参数包括发动机推力、耗油率、排气温度、高压轴转速、低压轴转速及涵道比。每个用户唯一地对应其个人工作空间和个人模型副本，用户彼此互不影响，因此每个客户端都独立工作，客户端间互不影响，发动机模型运行的情况也完全独立。

本发明的具体实施方式中凡未涉及的说明属于本领域公知的技术，可参考公知技术加以实施。

本发明经反复试验验证，取得了满意的试用效果。

以上具体实施方式及实施例是对本发明提出的一种航空发动机控制系统多用户协同仿真的资源调度方法技术思想的具体支持，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在本技术方案基础上所做的任何等同变化或等效的改动，均仍属于本发明技术方案保护的范围。

Claims (6)

1.一种航空发动机控制系统多用户协同仿真的资源调度方法，其特征在于：所述航空发动机控制系统多用户协同仿真包括服务器、客户端和模型端，所述客户端与服务器以及所述客户端与模型端之间均通过TCP Socket通信协议进行数据通信；其中：所述模型端包含多个部件级的航空发动机模型、航空发动机控制器模型、传感器模型和执行机构模型；所述客户端被用于用户与仿真系统的交互，所述交互包括连接/断开服务器、发动机模型选择、上传用户自行设计的控制器/传感器/执行机构模型、飞行条件设定、发动机模型启动和发动机运行参数显示；所述服务器包含监听模块及模型调用模块，所述服务器为每一个新接入的用户创建个人工作空间，再将所述模型端拷贝至所述个人工作空间并生成模型副本，然后所述服务器断开与所述客户端的连接，所述客户端再连接至所述模型副本，所述用户与所述模型副本一一对应，所述用户之间互不影响，同时所述用户对所述模型副本所做的改动也不会影响所述模型端；当所述多个用户的工作需要集成时，在集成空间内，由集成工程师经审核、集成、验证及提交后完成集成工作，从而实现多用户协同设计和集成的功能。

2.根据权利要求1所述的一种航空发动机控制系统多用户协同仿真的资源调度方法，其特征在于：所述模型端还包括发动机模型模块及Socket通信模块；所述模型端预先被编译生成为可执行文件，系统运行时由所述服务器调用该可执行文件；所述模型端被调用时，首先开启所述服务器Socket并等待所述用户连接，当所述用户连接成功，所述模型端接收由所述用户设定的飞行状态参数，所述发动机模型运行，然后将各状态参数反馈给所述客户端；当所述客户端断开连接时，所述模型端自动关闭进程，从而释放资源，保证系统稳定高效地运行。

3.根据权利要求2所述的一种航空发动机控制系统多用户协同仿真的资源调度方法，其特征在于：所述服务器为每一个接入的用户创建个人工作空间是指，当所述用户连接所述服务器时，所述服务器首先获取所述用户的IP地址及端口号；然后在指定路径下建立所述用户的个人文件夹，并以该用户的IP地址及端口号为该个人文件夹命名，对于任意两个所述用户，因各自的IP地址和端口号组成的标识符不可能完全相同，因此每个用户都可以获取独立的工作空间。

4.根据权利要求3所述的一种航空发动机控制系统多用户协同仿真的资源调度方法，其特征在于：所述服务器的调用模型端，对应每一个用户，使所述服务器带参数地调用其所述个人工作空间内的模型副本，所述参数即作为所述模型副本中服务器Socket的监听端口。

5.根据权利要求4所述的一种航空发动机控制系统多用户协同仿真的资源调度方法，其特征在于：所述服务器带参数地调用其个人工作空间内的模型副本涉及的所述参数的起始值为4000，即调用的第一个所述模型副本中服务器Socket的监听端口号为4000；之后每有一个用户接入，所述参数值自动加1，因此各个模型副本中服务器Socket的监听端口号都不相同，保证了所述航空发动机控制系统多用户协同仿真的正常运行。

6.根据权利要求5所述的一种航空发动机控制系统多用户协同仿真的资源调度方法，其特征在于：所述客户端与所述模型副本进行交互是指，所述服务器带参数地调用其所述个人工作空间内的模型副本后，先将该参数值发送至所述客户端，然后断开与所述客户端的连接，回到监听状态，等待下一个用户的接入；同时，所述客户端接收服务器传来的参数值，并向该参数值的端口发出Socket连接请求；该参数即为所述模型副本中服务器Socket的监听端口，因此所述客户端可以与其所述个人工作空间内的模型副本建立Socket连接。