综合航电系统实时仿真测试技术研究

2014-07-13吴利华

西安航空学院学报 2014年3期

杨号，吴利华

(海装西安局，陕西西安 710089)

1 引言

随着计算机技术、网络技术等在综合航电系统中的应用，各新型飞机综合航电系统联合测试的任务就摆在我们面前。而现有航电系统试验设备技术落后，试验室除了一些常规的通用测试仪器外，专用设备均为早期自研设备，功能单一，不可扩展，不可再开发，仅能满足某型机某分系统独立测试的环境，不能满足系统综合测试、安全模式、控制模式、高精度时间测试要求，这些设备除了能满足定型的系统测试和单项的设计仿真功能外，对一些新技术的验证、闭环系统验证、高精度的时间测量、快速故障定位和异常模式的测试验证等几乎无能为力。

2 综合航电仿真系统的原理和功能

综合航电仿真系统可以生成系统工作过程中所需的各种输入参数，并对综合航电系统输出的数据进行分析，对其性能进行评估，以便对综合航电系统进行改进，不断提高综合航电系统的性能。综合航电系统的研制离不开实时仿真，它不仅可以实时发现问题，及时解决问题，而且缩短了研制周期和试飞时间，节省了费用。

综合航电实时仿真系统的硬件设备提供仿真模型的运行环境，产生计算机的各种输入输出信号，用于系统物理接口仿真控制。其配套软件在系统仿真终端上实时地按照控制算法输出信号，提供给被仿真或测试的系统，模拟整个系统的各个物理接口实际输入信号[1]。硬件设备同时采集被测系统的实际控制输出信号，并将这些作用于内部的系统模型，通过模型的响应后送到测试系统形成闭环。系统的建立可为综合航电系统地面测试提供优越的物理平台。

3 总体方案

综合航电实时仿真测试系统采用了“基于硬件仿真的回路设计”(Design by Simulation with Hardware -In -the -Loop)与基于RT-LAB的实时分布式仿真测试技术，系统具有良好的可修改性﹑可扩充性和可移植性。系统采用分布式部署，每个目标机(子系统)可以单独的运行，用于系统中的相对独立的单立子系统，如惯导，大气机，高度表等的仿真与测试。通过目标机上内嵌的IEEE-1394端口，多个目标机可以联合起来进行系统的联合仿真和综合试验[2]，如图1所示。

3.1 系统功能

综合航电实时仿真系统可以生成系统工作过程中所需的各种输入参数，并可对综合航电系统输出的数据进行分析，对其性能进行评估，以便对综合航电系统进行改进，不断提高综合航电系统的性能。其主要功能有：

图1 综合航电实时仿真测试系统连接图

(1)实现航电系统的原型设计、开发和仿真所需要的各种必须的仿真环境；

(2)实现数学模型到实时代码的自动转换和分布式实时仿真；支持闭环试验所需要的相关激励信号；

(3)具有航电分系统的仿真器和完整的硬件I/O接口，能够实现与航电分系统真实设备之间的功能替换，从而完成硬件在环的半实物仿真；

(4)支持系统仿真的可视化；

(5)具有试验数据采集、测试、记录、分析功能，完成综合航电系统的试验与故障分析。

3.2 系统功能组成

3.2.1 RT-LAB实时分布式仿真测试平台

RT-LAB是一套工业级实时仿真平台。可以在时间短、花费低的情况下，通过工程仿真建立动态模型，以应用于实时仿真，控制，测试以及其它相关领域，其显著特点是模型的分布式实时运行。复杂的模型可以划分为多个模块，分布到多台目标机上并行运算，以得到需要的运算能力，从而确保模型在多个目标机上分布式并行运算时的性能和稳定性[3]。

3.2.1.1 RT-LAB仿真主机平台。RT-LAB仿真主机是运行Windows操作系统的PC，它的主要作用如下：

(1)利用RT-LAB主机软件MainControl , 通过TCP/IP实现模型仿真的控制；

(2)人机界面：简洁易用的图形用户界面，以实现虚拟仪表风格的图形用户界面；

(3)模型参数调整：可以实现模型中的各项参数的在线调整，而不需要中断模型仿真运行；

(4)支持包括CarSim / TruckSim，GT-Power等第三方专业建模工具的模型；

(5)实时显示和监控功能；

(6)动态信号跟踪：运行时可以选择监控任意信号；

(7)在线参数编辑器：可以在运行时动态整定模型参数。

3.2.1.2 RT-LAB目标机平台。RT-LAB目标机是模型实时运行的平台。在主机上开发好的Simulink模型经过编译以后通过RT-LAB主机的MainControl 软件下载到仿真目标机上，并且控制模型的实时运行，停止或者在线调参等操作[4]。其特点如下：

(1)基于X86的硬件平台，运行QNX实时操作系统；

(2)支持模型在多个仿真节点上并行运行；

(3)强实时性，最短仿真步长可以达到10us级以下；

(4)通过目标机内的I/O或数据通讯卡与外部设备连接，实现硬件在环仿真。

3.2.1.3 监控软件与仿真系统的集成。为了实现上层监控软件与半物理仿真的集成，采用NI的LabVIEW作为上层监控软件。RT-LAB提供了LabVIEW软件环境下的API，以各种子vi模块的形式集成在LabVIEW 的Diagram Editor库中。结合LabVIEW前端界面丰富的虚拟仪器风格的显示和操纵控件，和RT-LAB的功能强大的API，可以定制创建美观方便的图形监控界面程序。

3.2.1.4 仿真建模工具配置。系统仿真软件采用Matlab/Simulink 。系统配置主要包括：模型的设计仿真模块Simulink、模型代码生成模块Real-Time Workshop、设计和仿真事件驱动模块Stateflow、从状态图中生成代码模块Stateflow Coder。

Simulink是用来建模、分析和仿真各种动态系统的交互环境，包括连续系统，离散系统和混合系统。通过Simulink提供的丰富的功能块，可以迅速地创建动态系统模型。Stateflow是用于事件驱动型动态系统分析的交互式仿真设计工具[5]。Real-Time Workshop(RTW)从Simulink模型生成优化的、可移植的、可定制的ANSI C 代码，利用它可以针对某种目标机来创建整个系统或是部分子系统的可下载执行的C代码，以开展快速原型或硬件在回路仿真。Stateflow Coder可把Stateflow Charts生成整型，浮点型或者定点C代码。Stateflow Coder和Real-Time Workshop结合使用生成Simulink和Stateflow模型代码。用户可以把生成的代码作为非实时或实时应用程序使用，包括加速仿真，快速原型和硬件在回路仿真测试。用户也可交互式调整和检测代码，或和MATLAB，Simulink环境以外的代码相结合交互运行。

3.2.1.5 软件配置。RT-LAB仿真系统上的软件包括：

(1)Windows XP 操作系统；

(2)MatLab / SIMULINK / Real-Time Workshop用于仿真模型开发，运行于仿真目标机；

(3)RT-LAB主机软件：用于仿真应用集成开发，仿真控制与系统管理；

(4)RT-LAB目标机软件：用于模型的实时运行；

(5)VC/C++ 6.0，通过RT-LAB API，实现RT-LAB在应用程序上的功能扩展，主要运行于仿真目标机、总线测试计算机的接口功能实现和管理；

(6)LabVIEW，通过调用RT-LAB基于LabVIEW的vi，可以实现RT-LAB 虚拟仪表面板，主要运行于终端显示计算机。

3.2.1.6 硬件配置。RT-LAB仿真器的运行基于主机-目标机的运行模式。主机与目标机(单台或者多台)之间通过TCP/IP连接，多台目标机之间通过IEEE-1993连接。

以两台主机和四台目标机为例，可以同时进行模型的开发与实时仿真监控，在运行中，也可以一台主机进行仿真管理，另外一台主机进行系统监控。每个目标机可以单独的部署，用于系统中的相对独立的单立子系统，如飞机飞行方程，惯导等航电分系统的仿真和验证。通过内嵌的IEEE-1394端口，多个RT-LAB目标机可以联合起来进行完整系统的综合仿真和测试。

3.2.2 飞行仿真器

在基于硬件在回路仿真的系统设计中，首先需要一个飞机飞行仿真器模型及其航电各子系统的仿真模型。为简化工程师的建模工作，Opal-RT特地推出了RT-LABTMAeroLib飞机飞行方程模型，利用这个模块，工程师可以很容易的建立起自己的飞行器数学模型[6]。结合RT-LAB实时系统，飞行器的数学模型可以自动的转化为能够在实时目标系统运行的代码，从而可以与航电子系统进行硬件在回路的半实物仿真试验。飞行环境仿真的核心模块是以专业的飞行仿真软件RT-LAB AeroLib为基础进行二次开发来完成，以六自由度的气动力方程为核心，辅助必要的支持系统来完成飞机的起飞、着陆、巡航和自由飞行等多方面的仿真，并对飞机的部分外部环境进行实时动态模拟(包括对风、大气数据计算机，惯性参考单元，高度表，迎角传感器，ILS等等), 向综合航电系统的有关分系统提供所需的环境参数。

3.3 测试服务器

测试服务器是控制和调度整个航电分系统测试过程的计算机软硬件和接口。测试服务器按照功能分为测试主机、数据库服务器、显示终端。测试主机是承担测试自动化，序列测试和测试报告生成的计算机。测试主机运行Windows 操作系统，可以与RT-LAB仿真系统主机是同一台计算机。测试主机上的测试管理软件是RT-LAB 软件附带的综合测试环境软件包TestManager。 TestManager 是一个现成即用的、完全可自定义的图形化测试执行管理环境，能够与NI 的TestStand 接口，用户可以根据自己的特定需要，对TestManager 进行修改和完善，组织、控制和执行预先编写的各种测试脚本。数据库软件通过ODBC 与TestStand 实现数据通讯。所有的测试脚本，测试数据与测试报告都可以通过统一的ODBC 接口存到数据库中，对系统按照编排好的测试流程逐项测试。测试服务器完成测试流程规划、测试项目、测试方法和步骤、测试评估、测试结论的处理。