CN114706324B - 一种基于时间触发的分布式控制器快速原型及仿真验证方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于时间触发的分布式控制器快速原型及仿真验证方法，所述仿真方法主要包括：分布式控制器快速原型、传感器/执行机构模拟模块、总线监视硬件模块、发动机模型、监视系统。分布式控制器快速原型由多个分布式控制节点通过TTP/C总线互联形成一个有机整体，完成控制功能；控制对象是运行在计算机里的发动机模型，它通过传感器/执行机构模拟模块和控制器有机结合构成一个闭环运行系统。监视系统包括三部分监视：控制系统监视主要显示发动机模型、传感器、执行机构等的状态与参数；总线数据监视主要获取TTP/C总线上所有的数据码流并解析显示；节点运行状态监视主要获取节点成员关系、时间槽信息、定时精度、故障状态等。
Description
技术领域
本发明涉及航空发动机控制技术及仿真领域，尤其涉及一种航空发动机控制系统架构以及模拟仿真方法。
背景技术
航空发动机的工作过程是一个及其复杂的气动热力过程，随着其环境条件和工作状态的变化，它的气动热力过程将发生很大的变化。航空发动机控制的目的是使其在任何环境条件和任何工作状态下都能稳定可靠的运行，并且充分发挥其性能效益。
随着航空发动机控制系统的发展，现代航空发动机要求控制更多的参数，以提高性能，全权限数字电子控制器的发展能够实现发动机全部功能的控制，并且对发动机进行状态监控、故障争端和容错控制，以保证发动机运行的可靠性。当前航空发动机全权限数字电子控制采用的集中式架构，信号处理、控制算法的执行、通信、存储、余度管理完全由一台数字式电子控制器完成，随着控制系统功能和复杂程度的增加，传统的集中式控制器缺点越来越明显，为减轻航空发动机控制系统重量，增强航空发动机控制系统的可靠性和可维护性，可采用一种新型控制系统——分布式控制系统，分布式控制技术能更好地适应分层结构以及各种新技术的发展，数据采集程序和执行机构程序可以分散在各智能传感器节点和智能执行机构节点中，控制、容错、健康管理等程序集中在中央控制器节点上，而每个节点都含有独立的处理器。在分布式控制器的设计中，如何设计一种具有鲁棒性和可靠性的数据总线，并保证某个或某些节点在掉电或发生故障的情况下不会影响到分布式系统中其他节点正常运行是首先要突破的关键技术环节之一。
TTP/C是一种用于互联电子模块的、分布式容错实时系统的通信协议，主要的面向对象是航空航天领域，TTP/C协议规范在安全性、可用性和可组合性等方面具有更为严苛的要求，更加适合分布式实时系统对数据总线的性能要求，目前国内对TTP/C总线控制器的设计已经有所进展，但在集成度、可扩展性以及某些关键特性方面还有很多可以提升的空间，针对该技术的仿真验证也存在很大的研究空间。
经过调研，目前存部分对分布式半物理仿真方法的研究，专利《基于蓝牙、数据库与UDP协议的分布式半物理仿真系统及其数据汇总和分发的方法》设计了一种向分布式节点发送数据的方法，通过蓝牙、以太网等实现上位机与各节点间的数据交互，但这种方法对于航空发动机控制器来说，数据传输不够稳定，不能满足航空发动机对安全性的高要求；专利《一种考虑时延的航空发动机分布式控制律设计及验证方法》除了提出一种考虑时延的航空发动机分布式控制律设计，还设计了对应的仿真方法，利用Truetime工具箱中的内置模块，构建分布式仿真平台整体模型框架，该方法为全数字仿真，仿真置信度较低，且并未涉及故障注入这一关键仿真步骤，仿真验证的可靠性还有待加强。
针对目前分布式控制器的快速发展及技术空缺，本发明正是设计了一种基于时间触发的分布式控制器快速原型，并提供了仿真验证方法。
发明内容
鉴于此，拟发明一种基于时间触发的分布式控制器快速原型及仿真验证方法，本发明的目的在于提供一种用于航空发动机分布式控制器快速原型的建立方式及仿真验证方法，通过基于TTP/C总线的分布式架构建立航空发动机控制器快速原型，并设计一套完整的仿真验证方法。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于时间触发的分布式控制器快速原型及仿真验证方法，所述仿真方法主要包括：分布式控制器快速原型、传感器/执行机构模拟模块、总线监视硬件模块、发动机模型、监视系统，
所述分布式控制器快速原型由多个分布式控制节点通过TTP/C总线互联形成一个有机整体，完成控制功能；
所述发动机模型是控制器的控制对象，它通过传感器/执行机构模拟模块和控制器有机结合构成一个闭环运行系统；
所述监视系统包括：控制系统监视、总线数据监视以及节点运行状态监视；
所述控制系统监视主要显示发动机模型、传感器、执行机构等的状态与参数；
所述总线数据监视主要获取TTP/C总线上所有的数据码流并解析显示；
所述节点运行状态监视主要获取节点成员关系、时间槽信息、定时精度、故障状态等
优选的，所述分布式控制器快速原型由双通道TTP/C总线和分布式TTP/C节点板构成；
所述TTP/C总线采用双通道的设计方式，使各节点具有双备份的数据通道；
所述TTP/C节点板包括主控节点、备份节点以及传感器或执行机构节点；
传感器节点采集某个传感器信号并且将数值发送至TTPC总线；
执行机构节点在接收到主控节点的控制指令后控制特定执行机构，
TTP/C单个节点可实现多个传感器信号的采集，多个执行机构的控制或者同时负责传感信号的采集个执行机构的控制。
所述TTP/C节点板由电源模块、以太网接口、标准接口、TTPC物理层接口、总线隔离模块、仿真器接口、指示灯模块等模块构成；
电源模块为板上硬件供电；
标准接口为节点板与信号背板的连接接口；
以太网接口实现节点板与上位机的以太网通讯；
总线隔离模块控制总线通断状态；
仿真器接口为节点板开发用的仿真接口；
指示灯模块可以通过LED显示节点部分状态，如供电状态、是否故障。
优选的，所述仿真验证方法可以为控制器快速原型注入码流故障、时间槽错误故障、定时偏差过大故障等；
所述码流故障通过上位机软件进行配置，使某一节点在接收或发送数据时将某一位数据进行翻转；
所述时间槽故障通过上位机软件发送错误的时间槽信息到某一指定节点，该节点收到信息后对本地MEDL信息进行更改，并在下一个TDMA周期中执行新的时间槽；
所述定时偏差过大故障通过上位机软件发送定时误差故障指令到某一指定节点，该节点收到指令后对本地时钟计数器数值进行更改，并且此操作不会影响当前TDMA周期的集群时钟。
优选的，所述总线监视节点用于获取总线的数据，其挂在TTP/C总线上，并且通过以太网交换板与上位机进行以太网通讯；
所述总线监视节点板构成与普通TTP/C节点一致，并且具有完整的TTPC协议栈，上位机软件对监视节点功能进行更改，使监视节点从上电开始一直处于侦听状态，获取总线上的全部数据，同时在本地进行保存。
优选的，所述仿真验证方法包括总线电气故障注入；
所述总线电气故障注入指TTP/C总线的断路，通过节点板的总线隔离模块，实现物理连接的断开，从而模拟总线电气故障。
所述仿真验证方法包括以下几个步骤：
步骤一、分布式控制器快速原型建立及仿真环境的配置
发动机模型作为被控对象封装成软件运行在上位机中，发动机模型向传感器/执行机构模拟模块发送指令，传感器模拟模块包括传感器模型及传感器信号模拟电路板，传感器模型将发动机模型发送的数字信号进行转化并发送给传感器信号模拟板，从而模拟真实传感器信号，传感器节点接收传感器信号，通过控制器节点对执行机构节点做出指令，执行机构信号进行调理后传输至执行机构模型转变成数字信号再反馈至发动机模型，构成一个完整的控制闭环。
步骤二、仿真验证
发动机模型接收仿真指令开始运行，控制器对发动机模型进行控制，仿真过程中实时注入码流故障、时间槽错误故障、定时偏差过大故障以及总线故障等，验证建立的分布式控制的快速原型。
步骤三、系统监视及数据存储
监视系统具有控制系统监视、总线数据监视以及节点运行状态监视的功能；监视系统能够显示整个闭环控制系统的运行状态，判断仿真是否正常进行，能够显示总线的数据并进行存储，能够直观显示各节点的运行状态，尤其是当故障注入某一节点时的运行状态。
与现有技术相比，本发明一种基于时间触发的分布式控制器快速原型及仿真验证方法，所带来的有益效果为：通过TTP/C总线、TTP/C节点板构成分布式控制器快速原型，通过发动机模型及传感器/执行机构模拟模块构成控制回路，通过监控系统硬件模块及监视系统软件对控制系统、总线数据、节点运行状态分别监视，该仿真验证方法为分布式控制的研究提供了有利的仿真验证技术支持，该方法的研究有效提高了仿真的置信度，可扩展、易升级、易集成，具有极高的模块化，可广泛应用于航空发动机分布式控制系统的研究、验证、试验。
附图说明
图1是根据本发明的一个具体实施例的基于时间触发的分布式控制器快速原型及仿真验证方法示意图。
图2是根据本发明的一个具体实施例的TTP/C节点分布及系统示意图。
图3是根据本发明的一个具体实施例的基于时间触发的分布式控制器快速原型的仿真试验流程图。
具体实施方式
以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述，但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
如图1所示的本发明的一个实施例，本发明提供一种基于时间触发的分布式控制器快速原型及仿真验证方法，所述仿真方法主要包括：分布式控制器快速原型10、传感器/执行机构模拟模块12、总线监视硬件模块11、发动机模型13、监视系统15：
所述分布式控制器快速原型10由多个TTP/C节点板101和从双通道TTP/C总线102构成；
所述发动机模型13是控制器的控制对象，它通过传感器/执行机构模拟模块12和控制器有机结合构成一个闭环运行系统；
所述控制系统硬件包括监视节点板111和多端口交换板112；
总线监视节点板111用于获取总线的数据，其挂在TTP/C总线上，并且通过多端口交换板112与上位机进行以太网通讯；其构成与普通TTP/C节点一致，并且具有完整的TTPC协议栈，上位机软件对监视节点功能进行更改，使监视节点从上电开始一直处于侦听状态，获取总线上的全部数据，同时在本地进行保存
所述监视系统15包括：控制系统监视、总线数据监视以及节点运行状态监视；
所述控制系统监视主要显示发动机模型、传感器、执行机构等的状态与参数；
所述总线数据监视主要获取TTP/C总线上所有的数据码流并解析显示；
所述节点运行状态监视主要获取节点成员关系、时间槽信息、定时精度、故障状态等。
所述TTP/C节点板由电源模块、以太网接口、标准接口、TTPC物理层接口、总线隔离模块、仿真器接口、指示灯模块等模块构成；电源模块为板上硬件供电；标准接口为节点板与信号背板的连接接口；以太网接口实现节点板与上位机的以太网通讯；总线隔离模块控制总线通断状态；仿真器接口为节点板开发用的仿真接口；指示灯模块可以通过LED显示节点部分状态，如供电状态、是否故障。
如图2所示，是一具体实施例的节点分布及系统构成，该分布式快速原型除监控节点外设计6个节点，其中节点1为低压转速，节点2为高压转速、高压叶片导叶角，节点3为涡轮后温度、后引射器开度，节点4为控制器，节点5为燃油调节机构，节点6为备份节点。
仿真运行时，发动机模型向传感器模拟模块发送信号，传感器模拟模块模拟转速及温度信号发送至节点1、2，节点4的控制器接收到信号后对其他节点的执行机构做出指令，并通过执行机构信号模拟模块回传至模型计算机，形成控制闭环。
监视节点实时监视整个系统的运行状态，同时监视总线数据及节点运行状况。
该仿真方法可以为控制器快速原型注入多种故障，包括码流故障、时间槽错误故障、定时偏差过大故障以及总线故障等；
所述码流故障通过上位机软件进行配置，使某一节点在接收或发送数据时将某一位数据进行翻转；
所述时间槽故障通过上位机软件发送错误的时间槽信息到某一指定节点，该节点收到信息后对本地MEDL信息进行更改，并在下一个TDMA周期中执行新的时间槽；当时间槽故障注入时，如果故障节点与其他节点同时向总线发送数据，则两节点均会发送失败，其他节点会认为这两个节点均出现发送故障，并踢出集群，更新成员状态；如果故障节点没有和其他节点同时发送信息，则其他节点会认为该事件槽原本对应的节点发送两次数据，则舍弃后一次数据，故障节点原本对应的时间槽到达时，其他节点将不会没有收到数据，进而认为故障节点故障，并踢出集群，更新成员状态。
所述定时偏差过大故障通过上位机软件发送定时误差故障指令到某一指定节点，该节点收到指令后对本地时钟计数器数值进行更改，并且此操作不会影响当前TDMA周期的集群时钟。当注入定时偏差过大故障时，如果定时误差大于某临界值，则该节点认为自身出现故障，进入冻结状态，其他节点侦测到该节点在对应的时间槽未发送信息，会认为该节点出现故障，则将其提出集群，更新成员状态；如果定时误差小于等于某临界值，则该节点通过时钟修正算法自动修正本地时钟，逐步减小故障，并不会对节点状态造成影响，本实例中临界值设为50us。
所述总线电气故障注入指TTP/C总线的断路，通过节点板的总线隔离模块，实现物理连接的断开，从而模拟总线电气故障。
监视系统软件记录存储仿真运行的数据，为控制器的进一步开发验证提供数据支持。
如图3所示，是一具体实施例的仿真验证方法实施步骤；
所述方法实施步骤，步骤一，仿真开始时，首先建立分布式控制器快速原型，然后对仿真环境进行配置，实现仿真试验系统的搭建；步骤二，发动机模型接收来自上位机的仿真开始指令，开始仿真，控制器对发动机模型进行控制，仿真过程中可实时注入码流故障、时间槽错误故障、定时偏差过大故障以及总线故障等，验证建立的分布式控制的快速原型；步骤三，监视系统实时显示发动机模型参数、总线数据参数、节点运行状态参数等信息，并将仿真试验过程产生的试验数据进行存储。
尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施方式，但是本领域的普通技术人员将意识到，在不脱离由所附的权利要求书公开的本发明的范围和精神的情况下，各种改进、增加以及取代是可能的。
Claims (5)
1.一种基于时间触发的分布式控制器快速原型及仿真验证方法，其特征在于：
所述仿真验证方法主要包括：分布式控制器快速原型、传感器/执行机构模拟模块、总线监视硬件模块、发动机模型、监视系统；
所述分布式控制器快速原型由多个分布式控制节点通过TTP/C总线互联形成一个有机整体，完成控制功能；所述发动机模型是控制器的控制对象，它通过传感器/执行机构模拟模块和控制器有机结合构成一个闭环运行系统；
所述监视系统包括：控制系统监视、总线数据监视以及节点运行状态监视；
所述控制系统监视主要显示发动机模型、传感器、执行机构的状态与参数；
所述总线数据监视主要获取TTP/C总线上所有的数据码流并解析显示；
所述节点运行状态监视主要获取节点成员关系、时间槽信息、定时精度、故障状态；
所述仿真验证方法可以为分布式控制器快速原型注入码流故障、时间槽错误故障、定时偏差过大故障；
所述码流故障通过上位机软件进行配置，使某一节点在接收或发送数据时将某一位数据进行翻转；
所述时间槽故障通过上位机软件发送错误的时间槽信息到某一指定节点，该节点收到信息后对本地MEDL信息进行更改，并在下一个TDMA周期中执行新的时间槽；当时间槽故障注入时，如果故障节点与其他节点同时向总线发送数据，则两节点均会发送失败，其他节点会认为这两个节点均出现发送故障，并踢出集群，更新成员状态；如果故障节点没有和其他节点同时发送信息，则其他节点会认为该时间槽原本对应的节点发送两次数据，则舍弃后一次数据，故障节点原本对应的时间槽到达时，其他节点将不会没有收到数据，进而认为故障节点故障，并踢出集群，更新成员状态；
所述定时偏差过大故障通过上位机软件发送定时误差故障指令到某一指定节点，该节点收到指令后对本地时钟计数器数值进行更改，并且此操作不会影响当前TDMA周期的集群时钟；当注入定时偏差过大故障时，如果定时误差大于某临界值，则该节点认为自身出现故障，进入冻结状态，其他节点侦测到该节点在对应的时间槽未发送信息，会认为该节点出现故障，则将其提出集群，更新成员状态；如果定时误差小于等于某临界值，则该节点通过时钟修正算法自动修正本地时钟，逐步减小故障。
2.根据权利要求1所述的基于时间触发的分布式控制器快速原型及仿真验证方法，其特征在于：
所述分布式控制器快速原型由双通道TTP/C总线和分布式TTP/C节点板构成；
所述TTP/C总线采用双通道的设计方式，使各节点具有双备份的数据通道；
所述TTP/C节点板包括主控节点、备份节点以及传感器或执行机构节点；
传感器节点采集某个传感器信号并且将数值发送至TTPC总线；
所述执行机构节点在接收到主控节点的控制指令后控制特定执行机构，所述TTP/C单个节点可实现多个传感器信号的采集，多个执行机构的控制或者同时负责传感信号的采集个执行机构的控制；所述TTP/C节点板由电源模块、以太网接口、标准接口、TTPC物理层接口、总线隔离模块、仿真器接口、指示灯模块模块构成；
所述电源模块为板上硬件供电；
所述标准接口为节点板与信号背板的连接接口；
所述以太网接口实现节点板与上位机的以太网通讯；
所述总线隔离模块控制总线通断状态；
所述仿真器接口为节点板开发用的仿真接口；
所述指示灯模块可以通过LED显示节点部分状态，如供电状态、是否故障。
3.根据权利要求1所述的基于时间触发的分布式控制器快速原型及仿真验证方法，其特征在于：
总线监视节点用于获取总线的数据，其挂在TTP/C总线上，并且通过以太网交换板与上位机进行以太网通讯；
所述总线监视节点板构成与普通TTP/C节点一致，并且具有完整的TTPC协议栈，上位机软件对监视节点功能进行更改，使监视节点从上电开始一直处于侦听状态，获取总线上的全部数据，同时在本地进行保存。
4.根据权利要求1所述的基于时间触发的分布式控制器快速原型及仿真验证方法，其特征在于：
所述仿真验证方法包括总线电气故障注入；
所述总线电气故障注入指TTP/C总线的断路，通过节点板的总线隔离模块，实现物理连接的断开，从而模拟总线电气故障。
5.一种如权利要求1-4任一所述的基于时间触发的分布式控制器快速原型及仿真验证方法，其特征在于：
所述仿真验证方法主要包括：分布式控制器快速原型、传感器/执行机构模拟模块、总线监视硬件模块、发动机模型、监视系统；
所述分布式控制器快速原型由多个分布式控制节点通过TTP/C总线互联形成一个有机整体，完成控制功能；
所述发动机模型是控制器的控制对象，它通过传感器/执行机构模拟模块和控制器有机结合构成一个闭环运行系统；
所述监视系统包括：控制系统监视、总线数据监视以及节点运行状态监视；所述控制系统监视主要显示发动机模型、传感器、执行机构的状态与参数；
所述总线数据监视主要获取TTP/C总线上所有的数据码流并解析显示；
所述节点运行状态监视主要获取节点成员关系、时间槽信息、定时精度、故障状态。
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