机载机电系统综合管理分布式仿真平台设计

JOURNAL OF SYSTEM SIMULATION Mar. 2005• 620 •

机载机电系统综合管理分布式仿真平台设计

刘巧珍，裘丽华，王占林

（北京航空航天大学自动化学院机电工程系，北京 100083）

摘要：通过对以往机载机电管理系统的研究，设计了机载机电设备综合管理分布式仿真平台系

统结构，该变了原有系统“散、乱、杂”的局面，展现了新一代飞机机载机电设备综合管理系统的

布局与体系结构；采用基于windows实时扩展模块RTX和1553B双冗余总线技术，提出了仿真平

台的软、硬件体系，保证了系统的实时性和容错性。仿真平台提供仿真中需要的通用模型库，利用

该平台可进行多型号机载机电系统综合管理仿真。系统软件采用模块化设计，具有可扩展性和一定

程度的开放性。

关键词：机载机电系统；综合管理；仿真；实时控制

文章编号：1004-731X(2005)03-0620-03 中图分类号：V249.1 文献标识码：A Design the Distributed Simulation Platform for Integrated Management

of Airborne Electromechanical Systems

LIU Qiao-zhen, QIU Li-hua, WANG Zhan-lin

(Dept. of Mechatronic, School of Automation Science, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100083, China) Abstract: This paper designs the system framework of the distributed hardware-in-loop simulation platform for comprehensive management of airborne electromechanical systems based on the study of the traditional one, and this framework changes the loose, disordered and miscellaneous layout and structure. This paper proposes the software and hardware structures introducing the technology of real-time extension module RTX and 1553B bus with double redundancy, which make the system have real-time and fault-tolerance performance. This platform provides kinds of common model libraries, so user can simulate the integrated management of various types of airborne electromechanical systems. By modularization, this paper designs the software structure which is provided with scalability and open characteristic.

Keywords: airborne electromechanical system; integrated management; simulation; real-time control

引言

飞机、船舶、车辆及工程机械等各种运载体均包括多个机电子系统。在飞机上，燃理、环境控制、起落架收放、刹车与防滑、液压系统、前轮转弯及电源等均为机电系统。目前，各机电子系立地分布于载体的各个部位。在机电一体化技术的基础上，进行机载机电系统综合管理,即将整个机电系统视为一个整体,采用数据总线多处理机技术实行统一管理是可行的,也是机载设备管理的发展方向[1][2]。1机载机电设备综合管理仿真平台，需要提供多个机电子系统综合管理的仿真集成环境，利用该仿真平台能够进行子系统综合控管策略、系统资源及任务调度、系统管理中心处理机故障情况下的容错及重构研究。仿真平台提供不同飞行阶段与机载机电系统有关的飞行环境模拟、驾驶员操作指令输入、典型机载机电子系统控制管理算法以及不同仿真实例合成等功能。本文建立了一个多机电子系统综合管理的半实物通用仿真平台,并设计了仿真平台的综合控制管理软件系统。

收稿日期：2004-05-09 修回日期：2004-09-09

基金项目：国家自然科学基金（50075005）

作者简介：刘巧珍（1975－），女，山西五台人，博士生，研究方向为分布式系统设计，分布式局域网任务调度研究；裘丽华（1935－），女，浙江人，博导，研究方向为机电控制，状态检测与故障诊断, 机电系统总线控制与综合管理；王占林（1934－），男，辽宁人，博导，研究方向为机电控制、飞机液压与操纵系统。通过此仿真平台可以进行各种型号的机载机电系统仿真，验证系统可靠性、冗余性及重构方案。

1 系统结构

机载机电系统综合管理系统是一个多任务分布式实时控制系统，从结构上大致分为紧密耦合和松散耦合两种[3]。紧密耦合系统一般限于一个局部区域，各部分相距很近，各处理机通过共享主存交换信息，无法实现物理设备的地理分散。松散耦合系统没有共享主存，可充分利用各处理机节点资源，在并行程序设计及可视化人机交互集成开发环境支持下，实现资源的统一调度、协调处理。松散耦合系统结构灵活、可扩展性好、程序开发方便并可充分利用的处理节点资源，随着PC机及工作站速度的迅速提高及价格的持续下降，松散耦合分布式系统已成为并行计算的主流。本仿真平台采用松散耦合的分布式系统结构。

由于本系统是一个多任务系统，实时任务和非实时任务并行运行，所以在设计系统时，除了从功能和逻辑上划分各模块，还要考虑各模块对实时性的要求，

避免各模块之间产

生资源竞争。整个控制系统软件运行平台为Windows NT及基于Windows的VenturCom 公司RTX(Real - time Extension for Windows)实时扩展环境，如图1所示。RTX是内置于Windows 的实时操作系统，它在不影响Windows原有功能的基础上增强了实时性。RTX子系统模块具有的时钟V ol. 17 No. 3

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和定时器，分辨率高，精度可达1sµ。RTX具有完善的进程管理机制，完全实现了0～127的进程优先级，开发环境简单，可显著缩短开发周期[4]。

图1 仿真平台系统结构

根据系统的组成与仿真特性，将系统结构在纵向上分为指令层、协调管理层和执行工作层。指令层实现系统仿真任务定制、仿真实例运行前的飞行状态参数初始化、任务分配算法选择、子系统模型选择等，在仿真实例运行中，显示飞行状态参数、中心处理机以及各子系统状态等。该层对实时性的要求不高，运行在win32系统环境下；协调管理层是仿真程序的核心，它接受指令层的命令，执行机电子系统综合控制管理任务，实时监控各子系统及处理机的运行状况。该层对实时性和可靠性要求高，运行在RTX实时扩展子系统RTSS环境中，并对各管理任务进行冗余备份；实时与非实时任务通过RTX提供的进程间通讯对象进行数据交换。执行工作层用于实现子系统数字与实物仿真，各子系统根据其功能的不同对实时性有不同程度的要求，数字仿真部分运行在RTSS环境中，实物仿真部分通过硬件通信接口和高速数据采集卡进行实时仿真。整个系统不仅具有实时性，而且具有开放性，用户可以根据需要增加自己的任务和子系统模块。

2 硬件组成

仿真平台硬件采用分域结构，如图2所示。总体上分为四个功能区域：仿真过程控制域、子系统管理处理机域、子系统仿真域以及多功能座舱显示域。此外硬件设备还包括1553B网络通讯组件。

1553B 图2 仿真平台硬件组成结构

1）仿真过程控制域：包括仿真过程控制机和命令输入设备。用于产生和显示来自驾驶员的操作指令、设定飞行高度、飞行速度及其他飞行环境信息。该域面向用户，提供图形化界面，是用户建立仿真实例的通道。

2）子系统管理处理机域：由四台子系统管理机SMP （System Management Processor）及相应的数据接口设备组成，仿真飞机公共管理系统的外场可更换设备（LRM）。用于完成子系统控制与监测、处理机间静态任务分配、动态任务调度以及系统数据库管理，为机载机电设备综合管理仿真系统的核心。

3）子系统仿真机域：由四台子系统仿真机与实物仿真系统组成。数字仿真部分包括：环控、电源、燃油以及刹车子系统仿真机；实物仿真部分包括：液压实物系统及接口处理机，前轮转弯实物系统及接口处理机。数字仿真机中驻留相应子系统的数学模型，实物是某型号飞机的实物系统，通过接口计算机与其它节点通讯。

4）多功能座舱显示域：模拟驾驶员座舱显示，为仿真操作人员提供子系统的关键信息和故障报警等。

5）网络通信部分：是分布式系统信息传输的通道。在仿真控制处理机中安装了1553B多功能仿真卡，可同时进行总线控制（BC）、总线监测（BM）与远程终端（RT）仿真；其余处理机中安装了1553B单功能卡，作为RT。各处理机通过计算机内部PCI总线与1553B总线接口卡相连，处理机之间按MIL-STD-1553B协议标准通过双冗余1553B 总线进行通信，可靠性高。PCI－1553B板卡时钟精度为1sµ，满足系统实时通信要求[5]。在仿真实例运行过程中，各处理机通过接口卡中的隔离变压器接收调制的曼彻斯特双极性码，并将协议处理芯片输出和TTL电平曼彻斯

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系 统 仿 真 学 报 Mar. 2005

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转化为调制的曼彻斯特双极性码，以供隔离变压器使用，通过内部总线与仿真主机实现信息传输。

3 系统软件

公管系统软件是整个控制系统的核心，它承担着系统控制律计算、故障实例合成、任务调度算法执行、分布式数据

库管理以及信息显示等任务，同时指挥协调系统有序工作，管理系统硬件资源，是系统功能实现和保证飞行安全的关键。在软件实现上，采用模块化的设计思想，按前面所述的三层结构来划分各模块，如图3所示，表明了层与层、模块与模块之间的相互关系。

指令层协调管理层

执行工作层

图3 仿真平台软件体系结构

如引言部分所述，该综合仿真系统为机载机电设备通用仿真平台，它应能进行不同型号飞机机电系统综合仿真及同一型号飞机机电系统不同综合控管策略的仿真试验。因此，除上述模块外，各层驻留有相应的机载机电系统基本模型库，指令层驻留飞行状态库、系统故障库及静态任务分配算法库；协调管理层驻留子系统控制管理库、动态任务调度算法库及故障诊断算法库；执行层驻留子系统模型库、子系统控制律算法库以及实物信息数据库。

1）飞行状态库=::<状态选择><状态初值><状态参数><全状态>；

状态选择＝{滑行，起飞爬升，巡航，机动飞行，下滑着陆}

状态初值＝{飞行高度，飞行速度，大气温度，大气压力}

状态参数＝{状态持续时间，爬升率，飞行包线} 2）系统故障库=::<故障时刻><故障类型><故障

位置><故障持续时间>；

故障类型＝｛处理机，链路｝

处理机故障＝｛CPU ，存储器，寄存器，数据线，控制线，数据接口｝

链路＝｛数据发送失效，数据接收失效，数据损坏，数据丢失｝

故障位置：故障在处理机任务队列中的插入点，相当于一个突发性事件，

故障持续时间＝｛瞬态故障，永久故障｝

3）任务分配算法库提供典型的分布式系统静、动态及混合任务分配算法，目的在于提供各种算法情况下的仿真结果，以确定实际系统最终调度方案。指令层进行仿真初始算法设置，在仿真实例运行过程中调用其他层相应的算法模块。

任务分配算法库=::<算法选择><任务><任务冗

余度><任务优先级><处理机数>；

算法选择＝｛静态，动态，混合｝

任务冗余度＝｛无冗余度，二冗余度，三冗余度｝ 任务优先级＝｛高，中，低｝

4）子系统控制管理库=::<子系统><子系统当前状

态><飞行环境>

5）故障诊断算法库＝<诊断算法><节点状态><链路状态>

6）子系统模型库＝<子系统><子系统当前状态><飞行环境>

7）子系统控制律算法库＝<子系统><控制律算法> 8）实物信息数据库＝<数据库路径><数据库名> 可针对不同型号飞机设计相应的模型库，即系统具有可扩展性和一定程度的开放性。子系统控制律、任务调度算法、故障诊断算法设计以及分布式数据库管理是软件设计的关键问题，需进行深入研究。

4 结论

本文开发的机载机电设备综合管理分布式仿真平台运行于通用的操作系统－Windows NT 上，并采用基于windows 实时扩展模块RTX 来保证了系统的实时性；整个系统既具有友好的用户界面及管理功能，又具有可扩展性和一定程度的开放性。为飞机机电设备综合管理的研究提供了一个通用的仿真平台。

参考文献：

[1]

Waldo,R,K., Foley,S.F., Utility Management System for Hypersonic Vehicles[J]. Digital Avionics Systems Conference, IEEE/AIAA. 1991(10)：1-5.

[2]

Mcintire, G .. Shared Resource Management for Integrated Avionics Systems[J]. Digital Avionics Systems Conference, AIAA/IEEE, 1994(11):626-629.

[3] 鞠九滨. 分布计算系统[M]. 北京：高等教育出版社，1994. [4] RoyKolk RTX5.0 User’s Guide[Z]. Cambridge ：VenturCom ，2000. [5] Bill Roper. MIL-STD-1553 Turtorial [Z]. Santa Barbara :Condor Engineering, 2003. 2-7.