直升机机电综合管理系统通用仿真设备设计

吴丽媛,王 伟

(中国直升机设计研究所,江西 景德镇 333001)

0 引言

各种机载系统如航天运载器、航空器、轮船、现代化汽车等，其内部都包括多个机电子系统，这些子系统也称为公共设备子系统，比如航空器通常包括：防滑刹车、前轮转弯、起落架收放、环境控制、电源管理、液压及燃油子系统，它们是飞行控制系统、火控系统、航空电子系统、显示系统、机载武器投放系统的安全保障系统，这些系统的综合化控制和管理即是机电综合管理系统[1]。直升机机电综合管理系统主要是监控直升机各机电子系统包括动力系统、传动系统、液压系统、电源系统、燃油系统、灭火系统、旋翼防除冰系统、外吊挂系统等的工作状态，管理各机电子系统及自身的自测试过程，记录故障数据，将故障告警信息和燃油量、主减滑油压力、发动机参数等状态参数传送给航空电子系统，并将大气温度、真空速等航空电子系统参数传送给机电子系统，实现信息共享。

直升机机电综合管理系统仿真设备用于模拟直升机各机电子系统的工作状态和逻辑以及航空电子系统的总线逻辑和工作模式的试验，以支持机电综合管理系统的开发、调试、测试、验证以及交付验收，其功能图见图1。

以往的机电综合管理系统仿真设备都是一对一模式，即一套机电综合管理系统仿真设备对应一个型号的研制，设备利用率低，会造成资源和人员的浪费。为了实现一对多模式，即一套仿真设备满足多个型号的使用要求，设计了一套机电综合管理系统通用仿真设备，只需重新配置ICD，可适用于多个型号机电综合管理系统的研制，可以节约成本，提高设备的利用效率，减少人员工作量。

图1 功能图

1 概要设计

从概念上讲，机电综合管理系统就是一个嵌入式实时计算网络，传输全机系统大量数据的能力是实现容错、重构和资源共享的目标的关键[2]。在通用仿真设备中以主控计算机和光纤、以太网为硬件，虚拟仪器工程软件包LABVIEW、MATLAB建模软件Simulink、Visual C++和其它用户应用程序为软件，组成系统数字仿真平台；以仿真目标机、信号调理箱和信号转接箱为硬件，在系统数字仿真平台的基础上，组成软硬件开发、调试、测试与验证平台。

机电综合管理系统通用仿真设备体系结构如图2所示。

综合配线完成仿真设备层与机电综合管理系统的连接关系匹配。

仿真设备层提供仿真设备所需的信号激励及采集功能的执行载体，包括模型仿真、机电接口仿真及总线接口仿真功能。

图2 机电综合管理系统通用仿真设备体系结构

CIA传输层是核心构成，为机电系统模拟综合装置提供了一个全部节点可见的全局数据空间，所有功能部件均通过CIA传输层进行数据和命令的交互。CIA传输层采用以太网及反射内存网作为传输介质，并提供一组CIA协议接口给所有的功能节点，实现对CIA数据的访问。基于CIA,实现了各节点的功能解耦，具备极好的扩展能力。

人机接口层提供了对软件仿真程序进行配置、管理、操作的接口。

2 详细设计

2.1 系统构成

机电综合管理系统通用仿真设备主要包括以下五个组成部分：主控计算机、仿真目标机、信号调理箱、信号转接箱、直流稳压电源，如图3所示。

图3 机电综合管理系统通用仿真设备构成图

直流稳压电源用于给机电综合管理系统供电，能够程控和手动调节，具有稳压稳流输出、过压过流保护功能。

主控计算机是通用仿真设备的核心，包含总线板卡，并驻留主要仿真软件，包括ICD管理软件、仿真主控软件、虚拟仪表软件、建模软件和硬线管理软件。针对不同型号的机电综合管理系统，可以通过ICD管理软件配置不同的ICD，并在仿真主控软件中体现出来。仿真主控软件能够实现任务配置管理、数据通信、数据显示分析、状态监测、故障告警等功能。虚拟仪表软件主要用于模拟航空电子系统操作界面以及数据、故障显示画面，通过总线与机电综合管理系统进行交联，同时配合仿真主控软件完成自动测试功能。

仿真目标机通过光纤和以太网与主控计算机连接，在主控计算机的控制下，加载并运行航空电子系统和各机电子系统模型，包括电源系统、传动系统、动力系统、液压系统、燃油系统等。仿真目标机中包含DIO卡、DA卡、电阻卡、小信号卡、频率量卡、RS422串口卡等，能够产生离散量输入/输出信号、模拟电压信号、电阻信号、模拟小信号、频率信号、RS422串口信号等，用于模拟仿真各机电子系统的信号。以太网主要用于下发ICD等静态配置以及控制信息，光纤主要用于传输动态数据，将主控计算机中的仿真主控软件中设置的数据和故障信息下发给仿真目标机以实现仿真，同时也将从机电综合管理系统采集的信号送给主控计算机。

信号调理箱中包含调理板卡，用于调理离散量输入/输出、RS422串口等信号值以符合要求。

信号转接箱用于将模拟仿真的各信号值通过在转接前面板使用跳线帽传送给机电综合管理系统，同时也采集机电综合管理系统发送的信号值，并通过配线完成通用仿真设备与机电综合管理系统的连接。

2.2 分布构成

机电综合管理系统通用仿真设备可以分成独立的两部分分别与机电综合管理系统进行交联，一部分是机电系统模拟综合装置，一部分是机电管理计算机接口控制显示装置。将机电综合管理系统通用仿真设备的主控计算机中的总线板卡独立出来，作为机电管理计算机接口控制显示装置，UICD主控计算机中包括航电ICD管理软件、虚拟航电界面软件等，通过总线与机电综合管理系统连接，用于模拟仿真航空电子系统的总线逻辑和工作模式。其余部分作为机电系统模拟综合装置，USI主控计算机中包括机电子系统ICD管理软件、仿真主控软件、建模软件和硬线管理软件等，通过配线与机电综合管理系统连接，用于模拟仿真各机电子系统的工作状态和逻辑，如图4所示。

图4 分布构成图

2.3 性能分析

配线所用电缆适配，可以完成与不同型号的机电综合管理系统的物理连接。ICD可配置，仿真主控软件的运行项目可配置，可以完成与不同型号的机电综合管理系统的通信，满足机电综合管理系统研制的需要，支持机电综合管理系统的调试和验证。

仿真目标机中各信号类型均有备份信号通道，当某个信号通道不可用时，可以通过跳线的方式使用备份信号通道，提高了机电系统模拟综合装置的可靠性。

为了方便测试和验证机电综合管理系统的功能与性能，开发了自动测试功能，只需录入所需测试用例，就能够自动测试机电综合管理系统是否符合要求。

3 结论

为了满足直升机机电综合管理系统研制的需要，同时节约成本，减少人员工作量，设计了一套满足多个型号机电综合管理系统使用要求的通用仿真设备，用于模拟仿真各机电子系统的工作状态和逻辑以及航空电子系统的总线逻辑和工作模式。同时还开发了自动测试功能，一键操作就能实现所有接口的测试验证。通过可配置的ICD，该通用仿真设备适用于各型号机电综合管理系统的研制。经与多个型号的机电综合管理系统的综合试验验证，表明该通用仿真设备运行稳定可靠，具有较好的可靠性和可扩展能力。

参考文献：

[1] 王占林,陈 娟.机电系统的总线综合管理[M].北京:国防工业出版社,2010.

[2] 陈 娟,王占林,马保海等.机载机电系统综合管理仿真平台的研究[J].仪器仪表学报,2002,23(3):933-935.

[3] 王占林,裘丽华.机载机电系统总线管理研究[J].中国工程科学,2001,3(6):48-52.

[4] 刘巧珍,裘丽华,王占林.机载机电系统综合管理分布式仿真平台设计[J].系统仿真学报,2005,17(3):620-622.