UMS数字仿真环境设计
2020-04-07梁哲闫稳赵君韩佳玮中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所
梁哲 闫稳 赵君 韩佳玮 中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所
1 概述
随着仿真技术的发展，引入了新的设计理念，出现了快速控制原型（RCP, Rapid Control Prototyping）的概念。设计师不再需要等待系统硬件完成后，才能对算法进行验证，可以通过快速控制原型实现算法测试。早期快速原型系统通常采用内部使用的硬件系统或原型产品，费用较高，通用性不好。
快速控制原型技术作为对控制算法的验证手段，在国内外得到了广泛的应用。由于快速控制原型在开发效率、开发速度上的优势，这一技术在汽车、航空航天领域得到更多的推崇。快速原型硬件平台也逐步通用化，诞生了大量的实时仿真设备，支持系统快速控制原型的开发。
在国外，dSPACE、RT-Lab等实时仿真产品在航空、航天、国防等领域有很多应用实例。目前这些产品在国内也是业内普遍认可的成熟实时仿真产品。UMS数字模型仿真环境建立针对UMS建模、仿真与验证环境，支持基于模型的机电管理系统计算机开发与设计，实现机电管理系统计算资源的快速原型设计与验证环境。UMS数字模型仿真环境主要包括机电管理计算机（UMC）和远程接口单元（RIU）。UMC主要完成对机电管理各子系统进行系统监控、状态监测和故障检测等功能，并实现关键任务的余度管理；RIU主要完成机电子系统的软硬件仿真，具备模拟机电系统典型运行工况的能力，并支持故障注入与针对基于RIU网络架构的机电管理系统的综合测试与评估。
2 UMS数字仿真环境设计
UMS数字模型仿真环境主要包括：机电管理分系统产品模型包、机电管理分系统交联环境仿真软件包、接口扩展单元以及远程接口单元快速原型验证设备。UMS数字模型仿真环境组成架构图如图1所示。
图1 UMS数字模型仿真环境组成
2.1 RCP设计
基于机电管理分系统快速原型开发环境，能够对机电管理分系统完整生命周期进行开发支持及验证。具体包括：全数字仿真阶段、模型半物理仿真、模型半物理混合仿真以及UMS系统仿真验证四个阶段。各阶段系统架构及组成如图2所示。
UMS系统全数字仿真阶段基于高性能计算平台，采用Mathworks公司相关软件产品如Matlab、Simulink、staefllow等，可以完成UMC，RIU及通用处理控制计算机的建模与仿真。
半物理仿真基于经过仿真验证的UMC与RIU数学模型，利用dSPACE平台与仿真激励单元，可以实现基于模型的仿真验证。
模型半物理混合仿真通过仿真激励单元与待验证产品构建虚拟与真实混合仿真激励环境，其中仿真激励单元实现真实数据与虚拟数据的融合。
UMS系统仿真使用信号产品中的UMC与RIU构成真实应用，通过仿真激励单元构建机电分系统仿真测试用例，实现UMS系统仿真验证。
2.2 软件设计
UMS数字仿真环境软件包括：总线数据服务层，I/O数据服务层，手动测试计量软件，ICD配置管理软件，数据记录软件，数据分析软件及主控软件等部分组成。
a.总线数据服务层，主要运行于NI 的RT平台，完成1553B总线，RS429总线，RS422总线的周期性数据接收与转发（周期可配置，缓冲区可配置），支持基于ICD配置表的数据解析与封装，支持与上位机和I/O数据服务层交互数据（基于ICD表）。总线数据服务层支持总线功能配置，主要用于RT系统运行时1553B总线板卡，RS429总线板卡与RS422总线板卡工作模式，包括BC/RT/BM设置，RT地址设置，矢量字设置，波特率设置等，通过配置方式加载3种总线配置信息至底层板卡，系统运行时允许用户更改总线配置信息，例如将自身RT置为BC，更改波特率等；
图2 UMS系统仿真验证阶段及架构
b.I/O数据服务层，主要运行于NI的RT平台，完成NI 标准接口板卡的输入与输出控制，可基于ICD配置表完成接口工作参数初始化，采集周期配置，输出周期配置，数值公式计算，数据解析与封装，支持与上位机和总线数据服务层交互数据（基于ICD表）；
c.手动测试计量软件，支持针对所有硬件板卡资源的手动测试，支持针对所有硬件板卡资源的计量需求；
d.ICD配置管理软件，支持I/O接口配置，支持总线接口配置，支持所有交互数据的ICD配置管理，支持基于工程的导入导出；
e.数据记录软件，支持I/O服务层交互数据记录，支持总线服务层交互数据记录，记录数据需要具备RT设备的时戳，交互数据格式由ICD管理软件的配置表决定；
f.数据分析软件，支持针对记录数据的基于条件的参数检出，曲线绘制，阈值判断，公式计算（例如C=A+B，其中A、B为记录数据，C为新增参数）；
g.主控软件，支持其他方式的主控软件替换，数据接口ICD必须符合与其交联的I/O数据服务层与总线数据服务层接口ICD约束。本系统主控软件为支持基于底层硬件板卡和总线板卡的自回绕运行，以证明系统软件模块工作正常（机载供电系统控制律验证）。
3 结论
本文设计的UMS数字仿真环境，将仿真结果与实际试验进行比较，结果显示本仿真环境的实时性、精确性达到设计预期，并且运行稳定。本仿真环境的应用，有效的简化了方案迭代过程，提升了UMS设计效率。
