UMS數(shù)字仿真環(huán)境設(shè)計

梁哲 閆穩(wěn) 趙君 韓佳瑋 中國航空工業(yè)集團公司西安航空計算技術(shù)研究所

1 概述

隨著仿真技術(shù)的發(fā)展，引入了新的設(shè)計理念，出現(xiàn)了快速控制原型（RCP, Rapid Control Prototyping）的概念。設(shè)計師不再需要等待系統(tǒng)硬件完成后，才能對算法進行驗證，可以通過快速控制原型實現(xiàn)算法測試。早期快速原型系統(tǒng)通常采用內(nèi)部使用的硬件系統(tǒng)或原型產(chǎn)品，費用較高，通用性不好。

快速控制原型技術(shù)作為對控制算法的驗證手段，在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用。由于快速控制原型在開發(fā)效率、開發(fā)速度上的優(yōu)勢，這一技術(shù)在汽車、航空航天領(lǐng)域得到更多的推崇。快速原型硬件平臺也逐步通用化，誕生了大量的實時仿真設(shè)備，支持系統(tǒng)快速控制原型的開發(fā)。

在國外，dSPACE、RT-Lab等實時仿真產(chǎn)品在航空、航天、國防等領(lǐng)域有很多應(yīng)用實例。目前這些產(chǎn)品在國內(nèi)也是業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)可的成熟實時仿真產(chǎn)品。UMS數(shù)字模型仿真環(huán)境建立針對UMS建模、仿真與驗證環(huán)境，支持基于模型的機電管理系統(tǒng)計算機開發(fā)與設(shè)計，實現(xiàn)機電管理系統(tǒng)計算資源的快速原型設(shè)計與驗證環(huán)境。UMS數(shù)字模型仿真環(huán)境主要包括機電管理計算機（UMC）和遠(yuǎn)程接口單元（RIU）。UMC主要完成對機電管理各子系統(tǒng)進行系統(tǒng)監(jiān)控、狀態(tài)監(jiān)測和故障檢測等功能，并實現(xiàn)關(guān)鍵任務(wù)的余度管理；RIU主要完成機電子系統(tǒng)的軟硬件仿真，具備模擬機電系統(tǒng)典型運行工況的能力，并支持故障注入與針對基于RIU網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的機電管理系統(tǒng)的綜合測試與評估。

2 UMS數(shù)字仿真環(huán)境設(shè)計

UMS數(shù)字模型仿真環(huán)境主要包括：機電管理分系統(tǒng)產(chǎn)品模型包、機電管理分系統(tǒng)交聯(lián)環(huán)境仿真軟件包、接口擴展單元以及遠(yuǎn)程接口單元快速原型驗證設(shè)備。UMS數(shù)字模型仿真環(huán)境組成架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 UMS數(shù)字模型仿真環(huán)境組成

2.1 RCP設(shè)計

基于機電管理分系統(tǒng)快速原型開發(fā)環(huán)境，能夠?qū)C電管理分系統(tǒng)完整生命周期進行開發(fā)支持及驗證。具體包括：全數(shù)字仿真階段、模型半物理仿真、模型半物理混合仿真以及UMS系統(tǒng)仿真驗證四個階段。各階段系統(tǒng)架構(gòu)及組成如圖2所示。

UMS系統(tǒng)全數(shù)字仿真階段基于高性能計算平臺，采用Mathworks公司相關(guān)軟件產(chǎn)品如Matlab、Simulink、staefllow等，可以完成UMC，RIU及通用處理控制計算機的建模與仿真。

半物理仿真基于經(jīng)過仿真驗證的UMC與RIU數(shù)學(xué)模型，利用dSPACE平臺與仿真激勵單元，可以實現(xiàn)基于模型的仿真驗證。

模型半物理混合仿真通過仿真激勵單元與待驗證產(chǎn)品構(gòu)建虛擬與真實混合仿真激勵環(huán)境，其中仿真激勵單元實現(xiàn)真實數(shù)據(jù)與虛擬數(shù)據(jù)的融合。

UMS系統(tǒng)仿真使用信號產(chǎn)品中的UMC與RIU構(gòu)成真實應(yīng)用，通過仿真激勵單元構(gòu)建機電分系統(tǒng)仿真測試用例，實現(xiàn)UMS系統(tǒng)仿真驗證。

2.2 軟件設(shè)計

UMS數(shù)字仿真環(huán)境軟件包括：總線數(shù)據(jù)服務(wù)層，I/O數(shù)據(jù)服務(wù)層，手動測試計量軟件，ICD配置管理軟件，數(shù)據(jù)記錄軟件，數(shù)據(jù)分析軟件及主控軟件等部分組成。

a.總線數(shù)據(jù)服務(wù)層，主要運行于NI 的RT平臺，完成1553B總線，RS429總線，RS422總線的周期性數(shù)據(jù)接收與轉(zhuǎn)發(fā)（周期可配置，緩沖區(qū)可配置），支持基于ICD配置表的數(shù)據(jù)解析與封裝，支持與上位機和I/O數(shù)據(jù)服務(wù)層交互數(shù)據(jù)（基于ICD表）?？偩€數(shù)據(jù)服務(wù)層支持總線功能配置，主要用于RT系統(tǒng)運行時1553B總線板卡，RS429總線板卡與RS422總線板卡工作模式，包括BC/RT/BM設(shè)置，RT地址設(shè)置，矢量字設(shè)置，波特率設(shè)置等，通過配置方式加載3種總線配置信息至底層板卡，系統(tǒng)運行時允許用戶更改總線配置信息，例如將自身RT置為BC，更改波特率等；

圖2 UMS系統(tǒng)仿真驗證階段及架構(gòu)

b.I/O數(shù)據(jù)服務(wù)層，主要運行于NI的RT平臺，完成NI 標(biāo)準(zhǔn)接口板卡的輸入與輸出控制，可基于ICD配置表完成接口工作參數(shù)初始化，采集周期配置，輸出周期配置，數(shù)值公式計算，數(shù)據(jù)解析與封裝，支持與上位機和總線數(shù)據(jù)服務(wù)層交互數(shù)據(jù)（基于ICD表）；

c.手動測試計量軟件，支持針對所有硬件板卡資源的手動測試，支持針對所有硬件板卡資源的計量需求；

d.ICD配置管理軟件，支持I/O接口配置，支持總線接口配置，支持所有交互數(shù)據(jù)的ICD配置管理，支持基于工程的導(dǎo)入導(dǎo)出；

e.數(shù)據(jù)記錄軟件，支持I/O服務(wù)層交互數(shù)據(jù)記錄，支持總線服務(wù)層交互數(shù)據(jù)記錄，記錄數(shù)據(jù)需要具備RT設(shè)備的時戳，交互數(shù)據(jù)格式由ICD管理軟件的配置表決定；

f.數(shù)據(jù)分析軟件，支持針對記錄數(shù)據(jù)的基于條件的參數(shù)檢出，曲線繪制，閾值判斷，公式計算（例如C=A+B，其中A、B為記錄數(shù)據(jù)，C為新增參數(shù)）；

g.主控軟件，支持其他方式的主控軟件替換，數(shù)據(jù)接口ICD必須符合與其交聯(lián)的I/O數(shù)據(jù)服務(wù)層與總線數(shù)據(jù)服務(wù)層接口ICD約束。本系統(tǒng)主控軟件為支持基于底層硬件板卡和總線板卡的自回繞運行，以證明系統(tǒng)軟件模塊工作正常（機載供電系統(tǒng)控制律驗證）。

3 結(jié)論

本文設(shè)計的UMS數(shù)字仿真環(huán)境，將仿真結(jié)果與實際試驗進行比較，結(jié)果顯示本仿真環(huán)境的實時性、精確性達到設(shè)計預(yù)期，并且運行穩(wěn)定。本仿真環(huán)境的應(yīng)用，有效的簡化了方案迭代過程，提升了UMS設(shè)計效率。