1 飞控体系虚拟样机技能概略
跟着虚拟样机技能的老练，国外现已将虚拟样机技能成功的运用到各种杂乱体系中。飞翔操控体系正向着数字化、归纳化、智能化的方向开展，体系功用添加，构成杂乱，和机上其它体系交联越来越多，规划难度越来越大。依据虚拟样机技能的规划办法为飞控体系的研发制作供给强有力的支撑。
本文剖析了民机Boeing777、A340和BuAA民机型计划的非类似剩余度飞控核算机体系，对民机非类似余度飞控核算机体系虚拟样机的验证渠道进行研讨。
1．1虚拟样机技能
虚拟样机(Virtual Prototyping，简称VP)技能是一种依据产品的核算机仿真模型的数字化规划办法。这些数字模型即虚拟样机(virtual prototype)，又称为虚拟原型机，将不同工程范畴的开发模型结合在一起，从外观、功用和行为上模仿实在产品，产品在概念规划阶段就能够迅速地剖析、比较多种规划计划，选用相应剖析东西，对虚拟样机的功用，功用进行仿真剖析，对虚拟样机的行为进行模仿剖析，并依据剖析成果，修正产品规划和相应的仿真剖析模型。虚拟样机支撑并行工程办法学，运用虚拟样机代替物理样机在产品全寿数周期进程中对产品进行立异规划、测验、点评和人员练习，能够缩短研发周期、进步产质量量。虚拟样机技能是依据先进的建模技能、多范畴协同仿真技能、信息集成与办理技能、工程规划剖析技能、交互式用户界面技能和虚拟现实技能的归纳运用技能。
1．2飞控体系虚拟样机技能
飞机是一种极端杂乱的体系，在其规划、制作、试验和飞翔进程中都将面对许多技能难题，特别是一些新的关键技能和试验项目能否到达预期的方针，依托制作物理样机和进行飞翔试验来验证的价值是非常大的。跟着虚拟样机技能的飞速开展和广泛运用，飞机的规划、试验和运转在概念和办法上有了新的腾跃。经过树立虚拟样机来完结飞机的规划和试验现已成为干流方向之一。
飞翔操控体系作为飞机体系的重要一部分，也经过树立虚拟样机来完结。它能够在必定的程度上完结实在物理体系的功用，验证体系功用是否契合规划要求，进行体系的功用点评，战胜飞控体系物理样机花费贵重、制作周期长等缺陷。运用虚拟原型机能够在飞控体系的规划开发进程中完结实在的并行工程开发，满意多学科规划组的作业要求，进步产品的开发功率。虚拟样机技能能够贯穿于飞控体系研发的全进程，包含功用需求、软件规划(包含概要规划和详细规划)、规划完结、体系集成和测验验证等阶段。经过全生命周期的建模和仿真技能的运用，VP为咱们供给了一个能够对飞控体系进行重复规划、测验、验证和点评的开发渠道。
Honeywell空间体系部分提出了用于飞翔器开发进程的航空电子归纳开发环境的概念，它归纳了许多商业软件东西，各子体系规划并行进行，选用一起的数据库办理。体系的建模经过商用图形交互环境VAPS完结，规划者能够选用图形化的快速建模进行初始规划装备和体系功用剖析。AIDE供给规范组件的软件模型库，支撑Ada、C和FORTRAN言语，库中模型具有规范格局，使规划进程中一切的部分可直接取得。J佃E的硬件结构样机开发单元树立在商业硬件上，包含两部分：商业MIL-STD-1750A处理器，其上运转Ada言语的飞翔操控软件；Intel 860的单板核算机，其上运转相关的环境仿真软件，称为仿真引擎。仿真引擎的底板总线依据MultibusⅡ，供给飞翔处理器和仿真引擎间的数据通讯。
ADE归纳了TLD(Ada开发体系)和Tartan(Ada编译体系)图形化调试器，供给了运转在飞翔处理器和仿真引擎上的代码可视性。用户可同仿真引擎实时进行交互，供给了一个快速设备调查在用户界说的条件下整个体系的履行情况。运用Matrix X东西进行主动代码发生。
美国国家航空试验室NLR的FBW的规划与试验环境具有模块化的结构和界说的界面。整个环境包含彻底的飞机和飞翔操控体系结构，具有图形化用户界面和线性化剖析东西。FBW体系的规划进程主动化和功用点评经过开发的操作质量点评东西箱履行，这个东西箱是由一系列的功用组成，这些功用支撑飞机功用的规划成果同规划需求进行比较剖析。为了取得适宜格局的剖析数据，具有能够核算纵向和横向飞翔质量的低阶等效体系，依据初始系列军用规范树立规划参数。一切东西都是在Matlab/Simulink环境中规划，支撑规划数据的交流进行体系快速剖析。仿真环境具有在线和离线剖析才能；供给飞翔可视化剖析，数据以视频办法存储用于回放：飞翔测验时进行毛病设置和测验。
JPL(Jet Propulsion Lab)开发的FST(Flight System Testbed)环境首要由COTS产品和JPL开发的工业规范的软件组成忉。该环境由模块化组件组成，界说和履行规范化实时的功用界面，具有规范网络接口和总线、依据32位CPU的商用实时操作体系和支撑广泛运用的言语(C、C++和LabView)。先选用以太网作为通讯前言，之后被1553B总线代替，并不影响飞翔器和仿真子体系。FST由一些太空船的子体系组成，能够开发太空船单个子体系的仿真模型。供给体系规划的连贯性和规范的体系水平界面。经过TCP／IP以太网将地理位置不同的部分衔接，支撑便利的取得测验台活动需求的组件或子体系模型。JPL同工业部分洽谈和树立合作联系，进行新技能的点评。削减了工程本钱，支撑重复运用，对未来的使命需求点评新技能，开展测验环境的才能。依据以上虚拟样机技能在飞控体系的运用情况，飞控体系规划虚拟样机支撑环境的特征如下：开发环境由模块化组件组成，可扩展和重复运用；运用COTS硬件、软件以及支撑广泛运用的言语；规范实时的体系界面，在不影响体系功用情况下答应实在子体系或组件的直接代替；由一致数据库办理，网络衔接飞控体系规划进程中各部分进行实时信息交流；图形化交互软件，可进行可视化建模和剖析。依据虚拟样机技能在以上飞控体系中的运用情况，并跟着虚拟样机技能的开展，飞控体系虚拟样机技能的开展方向如下：
(1)树立一个先进的、敞开的、散布的和集成的支撑渠道，东西集，支撑飞控体系整个生命周期的规划进程和功用点评。
(2)虚拟样机开发环境具有通用性和可重用性，能够完结多种不同类型飞控体系的虚拟样机，体系参数可调，模型具有杰出的通用性、可移植性和可扩充性，在更改有关算法和数据库后，规划研讨人员和运用方可对飞控体系进行二次开发和剖析研讨。
(3)体系由大多数市场上COTS产品组成，选用模块化结构，具有易于扩展和可重复运用的特性。规范实时的体系界面，在不影响体系功用情况下答应实在子体系或组件的直接代替；
(4)飞控体系规划进程中各学科组、各部分和工业可实时地参加飞控规划和试验，交流规划信息，具有图形化交互环境，可进行可视化建模和剖析。
(5)开发虚拟样机渠道的关键技能，工程办理技能、多学科虚拟样机协同仿真技能、前期概念规划和后期功用点评技能、规划优化技能、虚拟环境技能、模型的校验、验证和承认技能。
(6)可进行虚拟样机的可制作性、可维护性和可适用性点评。
我国大型飞机研发严重科技专项现已正式立项，民用飞机出产要到达当时世界商业和经济环境的要求，迫使各个开发商在开发进程中削减开发价值、缩短出产周期。选用虚拟样机技能是我国大型飞机研发中的必然挑选。
2非类似余度飞控核算机体系介绍
民用飞机从开始运用电传操作体系后，因为更高的牢靠性要求，较多运用非类似余度计划。
2．1 Boeing777的3×3余度主飞控核算机
Boeing777的主飞控核算机体系包含3个彻底相同的数字式核算机通道，每个通道有3个非类似的支路，各个通道之间选用ARINC629数据总线通讯。每个支路软件都选用Ada编写，但选用三种不同的Ada编译器编译。支路的输入输出部分包含3个ARINC629终端，其间2个用于接纳，1个用于发送／接纳。Boeing777主飞控核算机结构如图1所示。
主飞控核算机的3个通道悉数投入作业，每个PFC都运用相同的输入数据解算操控律，核算舵面操控指令。PFC和总线被分为左、中、右三组，PFC一起监听三组总线，但只向同组的总线传送数据，当一组总线失效后，不会影响别的两组的正常作业。飞翔员指令经过总线输入到各个PFC。PFC的三个支路的处理器模块在功用上彻底相同。这三个支路别离被分配为指令支路、备用支路和监控支路。指令支路解算操控律，将输出传送到指定的总线。其它2个支路别离履行监控功用和支路余度办理使命，它们都进行和指令支路相同的运算，但不向总线发送操控指令，仅仅向总线发送支路间和通道问的交流信息。一旦指令支路失效，其使命由备用支路代替。剩余2个支路恣意一个再次发生毛病都将导致PFC输出断开。
个PFC内的支路同步作业，三个通道以异步办法作业。通道间数据的比较和监控以及体系情况数据交流经过同组的数据总线进行，通道内各支路间数据比较和监控通同组的数据总线进行。通道内支路间的专用总线，首要实时钟同步和支路情况交流，决议是否发送支路制止和告警号等功用。
体系具有多级表决面，支路依托自监控和在线监控承认硬件正确性；每个支路接纳来自通道内其它两个支路的离信号决议是否对该支路进行支路制止和失效告警，经过同总线进行支路间的数据比较和监控；指令支路核算出的关输出参数同其它两个通道指令支路对应的输出组进行中挑选。
2.2 A340的非类似剩余度飞控核算机体系
A340的飞控核算机体系包含3个飞控主核算机(FCPCs)和2个飞控辅佐核算机(FCSCs)，还有两个飞操控数据集中器(FCDCs)和两个缝翼，襟翼核算机(SFCCs)。体系使命在FCPCs和FCSCs之间分配，任何时都有一个核算机处于运转情况，别的一核算机处于备份状。每个核算机包含两个支路：指令支路和监控支路，两支的功用不同。指令支路运转分配给该核算机的使命，监控路确保指令支路的正确性。飞控核算机选用了非类似的硬和软件：FCPCs和FCSCs运用非类似的处理器；指令支和监控支路运用不同的编程言语。飞控核算机内部结构如图2示。
FCCs解算操控律给作动器发送指令，操控飞机的滚、偏航和俯仰，FCSCs处于备份情况，当FCPCs失效，FCSCs投入运转。当核算机的两个支路的输出不一致时，该核算机被切除，剩余的核算机依照预先规则的优先级次序投入运转。A340的飞控核算机体系运用ARINC429总线进行信息传输。
2.3 BUAA余度飞控核算机(RFCC-CA)新计划的整体介绍
本课题组提出的Bu从余度飞控核算机新计划的整体结构如图4所示。选用四套非类似处理器的核算机构筑四余度体系，每个通道有两个支路，指令支路和监控支路。每个支路上运转两套操控软件：主模块和备用模块。主模块和备用模块在功用上彻底相同，具有三轴全权限作业才能。同一通道内的两个支路上运转的主模块软件包不同，但都选用相同的软件包作为备份，共运用了三种不同的软件包，三个软件包选用了差异性规划办法。ACE供给RFCC-CA的离散和模仿接口。每个ACE包含有4个终端操控器，3个接纳，1个发送／接纳。
每套核算机内，指令支路和监控支路同步运转，运用相同的数据进行操控律核算。指令支路履行操控功用，发送操控指令。指令支路的主模块失效后，备用模块投入运转。监控支路监控指令支路的运转，两个支路输出的差值超越规则的阈值，则断定该通道失效，堵截该通道的输出。RFCC-CA的四个通道依照异步办法悉数投入作业，恣意一个通道都能操控飞机飞翔。每套核算机和AcE都从四余度总线承受数据，但只向同组的总线发送数据。当本组的核算机或许总线失效后，ACE从其它总线挑选操控输入。本组的ACE失效后，它操控的操控面的操控权限由其它的ACE代替。当该核算机失效后，其操控使命由其它的核算机代替，代替次序由体系规划人员事前规则。核算机操控权限分配、核算机操控使命的替换联系以及液压源分配办法如图5示。
每个支路依托自监控和在线监控判别本支路的输出信号是否有用。本通道的监控支路不只监控通道内的指令支路，还监控其它通道的指令支路。指令支路和监控支路构成比较监控结构确保输出指令的正确。
3 民机飞控核算机体系虚拟样机开发与验证渠道研讨
为了深入剖析B0eing、Airbus系列和BUAA余度飞控核算机，比较诸计划的优缺陷，为我国大型民机的研讨提出有利的主张，依据以上飞控体系虚拟样机技能的开展趋势，本课题组对民机飞控核算机体系虚拟样机的验证渠道进行研讨，该渠道能够完结Boeing777、A340和BUAA民机型非类似余度飞控核算机体系虚拟样机，从功用和行为上模仿实在的飞控核算机体系。
本文运用lO台PC结构工控机构筑虚拟飞控核算机，选用两种不同类型的处理器芯片，Intel和PowerPC。通道间的数据总线选用以太网，运用ARINC629总线协议进行通讯，完结通道间和通道内输出数据比较的功用。通道内各支路之间因为处理的信息量不大，选用核算机串行接口进行通讯，完结各支路时钟同步、体系情况数据交流等功用，来发送支路制止或失效告警信号。虚拟样机装备计划如图6示。
数据归纳处理核算机完结体系操控、办理功用虚拟飞控核算机的一切数据接口都经过它与验证环境相联.其首要功用包含:体系结构设置和办理，余度信号处理，毛病设置、监控，体系运转情况监控、显现等。初始化时对虚拟飞控核算机进行装备，包含整体余度结构、调度计划、硬件处理才能、AID和D/A字长精度等，运转时作为电子作动器运用，对飞翔员输入指令进行A/D转化并将生成的剩余度数据发送到各个模仿的余度总线上，对虚拟飞控核算机输出的余度数据进行表决和D/A转化，而且担任直观显现各通道数据，运转结束时办理虚拟飞控核算机等。体系运转情况显现核算机，担任显现各个通道使命的运转情况、CPU、内存情况等。各支路运转进程中发生的数据上传到体系运转情况显现核算机上，用来监控其运转。体系运转办理核算机用于对虚拟样机开发进程中的文档、参数和作业流程进行办理。10台工控机共用一台显现器和键盘，经过转化开关切换。
虚拟余度飞控核算机的运转软件环境为VxWorks实时操作体系，软件程序由3个规划人员用C言语编制相同功用的不同版别算法程序，完结通道内支路软件非类似.虚拟样机验证渠道的软件体系包含体系办理软件、余度办理软件和运用软件，各软件由不同的软件模块组成。体系办理软件包含同步和异步、同步支路通讯、异步通道通讯、I/O办理、毛病设置和记载。余度办理软件包含核算机BIT,输入监控表决、输出监控表决、毛病检测阻隔和体系重构。运用软件包含纵向和横侧向操控律。体系调度运转运用了实时操作体系Vxworks中依据优先级的抢占式调度算法和依据时刻片的轮转调度算法相结合的使命调度机制。体系运转情况显现和数据归纳处理核算机的软件程序选用VC++开发。体系运转办理核算机依据PDM软件，对虚拟样机开发进程中发生的悉数数据进行归纳办理。
运转开始时由数据归纳处理核算机进行体系结构装备。运转进程中，各工控机从总线上接纳飞翔员指令，并接纳来自信息办理体系的飞机姿势和外部大气数据等信息进行操控律解算，表决后的成果发送到总线上。数据归纳处理核算机从总线上接纳输出数据，并发送给舵面仿真子体系。舵面偏移量经过总线以数字量传送到仿真核算机体系。仿真核算机完结飞机运动的实时仿真。体系情况显现核算机将各个虚拟飞控核算机上传的数据进行在线显现，显现的数据一起被记载。
3.1 Boeing777飞控核算机体系的虚拟样机完结
用上述提出的虚拟样机渠道完结Boeing777飞控核算机体系的虚拟样机如下图7示。
初始化时数据归纳处理核算机对各支路进行初始化参数设置，装备为3X3余度结构办法。支路I/O完结为3个总线终端，1个发询接纳，2个接纳。支路1至支路9悉数投入作业，每个工控机运用彻底相同的输入数据解算操控律，核算舵面操控指令。
PFC的支路软件进行在线自检测，判别本支路信号是否有用。监控支路监控成果反映在情况字中，包含本通道指令支路是否有用、支路失效告警和制止信号，它作为音讯的一部分经过总线传输。各通道指令支路的输出同其它两个PFC的输出数据进行中值表决，表决成果发送到指定总线上。
3．2 A340的非类似剩余度飞控核算机体系的虚拟样机完结
A340的飞控核算机体系虚拟样机完结如下图8示。A340飞控核算机体系虚拟样机由10个支路组成。体系使命在KPcs和FCSCs之间分配，核算机的功用不同，运转的软件不同。任何时刻都有一个核算机处于运转情况，别的一核算机处于熟备份情况。每个核算机也包含两个支路：指令支路和监控支路。因为A340飞控核算机内两个支路的处理器类型相同，完结时也能够用同一台核算机一起模仿这两个支路，软件上选用多线程编程的办法，用不同版别的支路软件完结非类似，一起FCPC和FCSC的处理器非类似，确保硬件非类似。
两个支路之间经过核算机串行接口进行通讯。指令支路输出数据到总线上，监控支路软件也解算操控律，但仅仅监控指令支路的运转，不向总线发送操控指令。比较核算机的两个支路的输出，假如它们输出的差值超越闽值时，就堵截此核算机输出，由备用核算机代替，代替次序由开发人员预先指定。
3.3 BUAA余度飞控核算机(RFCC-CA)新计划的虚拟样机完结
BUAA余度飞控核算机(RFCC-CA)新计划的虚拟样机完结如图9示.
余度飞控核算机体系由四个通道组成，每个通道有两个支路：指令支路和监控支路。一切支路运用相同的数据进行操控律核算。支路I，o端的总线仿真卡完结为4个终端，3个用于接纳，1个用于发送／接纳。通道内支路同步作业，通道间依照异步办法作业。
每个支路经过软件在线自监控判别本支路输出信号是否有用：通道指令支路承受本通道和其它通道监控支路的监控，监控成果经过总线传输；通道内监控支路核算两个支路输出的差值，同阈值进行比较，超越阈值则设置该通道输出制止。
3．4民机虚拟样机验证渠道完结剖析
虚拟样机验证渠道能够针对详细飞控体系的规划需求，在飞控核算机体系虚拟样机中完结了操控律和整体的余度结构规划后，进行详细的软件结构规划、使命归纳、体系测验等作业。体系运转进程中发生的很多数据传送给体系运转办理核算机，由它对数据进行实时存储，必要时供给对仿真测验成果的图形化显现，由软硬件规划人员一起剖析得出规划主张。该验证渠道运转在试验室环境下，不能仿真飞控体系的寿数和毛病率，但能够模仿飞控核算机体系的功用和行为，并可人为的用软件办法设置毛病，包含瞬态、间歇和永久性毛病，查验体系的毛病检测逻辑功用，并能够完结体系重构功用。
本文对民机非类似余度飞控核算机体系虚拟样机开发和验证渠道进行了研讨，该渠道能够模仿Boeing777. A340和BUAA民机型新计划的飞翔操控核算机体系结构，仿真它们的作业进程，在试验室环境中再现民机飞控核算机体系，对我国的研讨作业供给学习和参阅.渠道还具有以下功用:
(1)此渠道具有敞开性和可扩展性，能够对其他开发人员提出的飞控核算机体系结构进行虚拟样机完结、验证和功用点评;
(2)选用虚拟样机渠道进行飞控核算机体系的规划，能够在需求发生变化时快速构筑多种不同结构的飞控体系装备，支撑多学科规划组在该环境下进行多种参数的规划，支撑不同模块间的并行规划和测验;
(3)依据此渠道飞控体系虚拟样机完结进程中每一阶段的规划，均可完结体系级的验证，承认其规划功用的有用性，作业的稳定性等;
(4)虚拟样机渠道与验证环境相联，对飞控体系虚拟样机进行模型校验、验证和承认。点评成果可供其它VP运用，或输出到其它子体系的规划环境;
(5)依据PDM的体系结构对体系运转进程中发生的悉数数据进行归纳办理。
4定论
本文介绍了虚拟样机技能的概念，对飞控体系虚拟样机技能的运用情况进行了概述。为了深入剖析Boeing, Airbus系列和BUAA民机型新计划的余度飞控核算机，对民机非类似余度飞控核算机体系的试验渠道进行了研讨，该渠道能够完结Boeing777, A340和BUAA民机型新计划的非类似余度飞控核算机体系的虚拟样机，面向大型民机规划，契合飞控体系虚拟样机技能的开展趋势。
