民机飞控计算机系统虚拟样机验证平台研究

    每套计算机内，指令支路和监控支路同步运行，使用相同的数据进行控制律计算。指令支路执行控制功能，发送控制指令。指令支路的主模块失效后，备用模块投入运行。监控支路监控指令支路的运行，两个支路输出的差值超过规定的阈值，则判定该通道失效，切断该通道的输出。RFCC-CA的四个通道按照异步方式全部投入工作，任意一个通道都能控制飞机飞行。每套计算机和AcE都从四余度总线接受数据，但只向同组的总线发送数据。当本组的计算机或者总线失效后，ACE从其它总线选择控制输入。本组的ACE失效后，它控制的控制面的控制权限由其它的ACE代替。当该计算机失效后，其控制任务由其它的计算机替代，替代顺序由系统设计人员事先规定。计算机控制权限分配、计算机控制任务的替换关系以及液压源分配方式如图5示。

    每个支路依靠自监控和在线监控判断本支路的输出信号是否有效。本通道的监控支路不仅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保证输出指令的正确。
   
    3 民机飞控计算机系统虚拟样机开发与验证平台研究
   
    为了深入分析B0eing、Airbus系列和BUAA余度飞控计算机，比较诸方案的优缺点，为我国大型民机的研究提出有益的建议，根据以上飞控系统虚拟样机技术的发展趋势，本课题组对民机飞控计算机系统虚拟样机的验证平台进行研究，该平台可以实现Boeing777、A340和BUAA民机型非相似余度飞控计算机系统虚拟样机，从功能和行为上模拟真实的飞控计算机系统。
   
    本文使用lO台PC结构工控机构筑虚拟飞控计算机，选用两种不同类型的处理器芯片，Intel和PowerPC。通道间的数据总线采用以太网，使用ARINC629总线协议进行通讯，实现通道间和通道内输出数据比较的功能。通道内各支路之间由于处理的信息量不大，采用计算机串行接口进行通讯，实现各支路时钟同步、系统状态数据交换等功能，来发送支路禁止或失效告警信号。虚拟样机配置方案如图6示。

    数据综合处理计算机完成系统控制、管理功能虚拟飞控计算机的所有数据接口都通过它与验证环境相联.其主要功能包括:系统结构设置和管理，余度信号处理，故障设置、监控，系统运行状态监控、显示等。初始化时对虚拟飞控计算机进行配置，包括总体余度结构、调度方案、硬件处理能力、AID和D/A字长精度等，运行时作为电子作动器使用，对飞行员输入指令进行A/D转换并将生成的多余度数据发送到各个模拟的余度总线上，对虚拟飞控计算机输出的余度数据进行表决和D/A转换，并且负责直观显示各通道数据，运行结束时管理虚拟飞控计算机等。系统运行状态显示计算机，负责显示各个通道任务的运行状态、CPU、内存状态等。各支路运行过程中产生的数据上传到系统运行状态显示计算机上，用来监控其运行。系统运行管理计算机用于对虚拟样机开发过程中的文档、参数和工作流程进行管理。10台工控机共用一台显示器和键盘，通过转换开关切换。
   
    虚拟余度飞控计算机的运行软件环境为VxWorks实时操作系统，软件程序由3个设计人员用C语言编制相同功能的不同版本算法程序，实现通道内支路软件非相似.虚拟样机验证平台的软件系统包括系统管理软件、余度管理软件和应用软件，各软件由不同的软件模块组成。系统管理软件包括同步和异步、同步支路通讯、异步通道通讯、I/O管理、故障设置和记录。余度管理软件包括计算机BIT,输入监控表决、输出监控表决、故障检测隔离和系统重构。应用软件包括纵向和横侧向控制律。系统调度运行利用了实时操纵系统Vxworks中基于优先级的抢占式调度算法和基于时间片的轮转调度算法相结合的任务调度机制。系统运行状态显示和数据综合处理计算机的软件程序采用VC++开发。系统运行管理计算机基于PDM软件，对虚拟样机开发过程中产生的全部数据进行综合管理。
   
    运行开始时由数据综合处理计算机进行系统结构配置。运行过程中，各工控机从总线上接收飞行员指令，并接收来自信息管理系统的飞机姿态和外部大气数据等信息进行控制律解算，表决后的结果发送到总线上。数据综合处理计算机从总线上接收输出数据，并发送给舵面仿真子系统。舵面偏移量通过总线以数字量传送到仿真计算机系统。仿真计算机实现飞机运动的实时仿真。系统状态显示计算机将各个虚拟飞控计算机上传的数据进行在线显示，显示的数据同时被记录。

   3.1 Boeing777飞控计算机系统的虚拟样机实现
   
    用上述提出的虚拟样机平台实现Boeing777飞控计算机系统的虚拟样机如下图7示。

    初始化时数据综合处理计算机对各支路进行初始化参数设置，配置为3X3余度结构形式。支路I/O实现为3个总线终端，1个发询接收，2个接收。支路1至支路9全部投入工作，每个工控机使用完全相同的输入数据解算控制律，计算舵面控制指令。
   
    PFC的支路软件进行在线自检测，判断本支路信号是否有效。监控支路监控结果反映在状态字中，包括本通道指令支路是否有效、支路失效告警和禁止信号，它作为消息的一部分通过总线传输。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，表决结果发送到指定总线上。
   
    3．2 A340的非相似多余度飞控计算机系统的虚拟样机实现
   
    A340的飞控计算机系统虚拟样机实现如下图8示。A340飞控计算机系统虚拟样机由10个支路组成。系统任务在KPcs和FCSCs之间分配，计算机的功能不同，运行的软件不同。任何时刻都有一个计算机处于运行状态，另外一计算机处于熟备份状态。每个计算机也包含两个支路：指令支路和监控支路。由于A340飞控计算机内两个支路的处理器类型相同，实现时也可以用同一台计算机同时模拟这两个支路，软件上采用多线程编程的方法，用不同版本的支路软件实现非相似，同时FCPC和FCSC的处理器非相似，保证硬件非相似。
   
    两个支路之间通过计算机串行接口进行通信。指令支路输出数据到总线上，监控支路软件也解算控制律，但只是监控指令支路的运行，不向总线发送控制指令。比较计算机的两个支路的输出，如果它们输出的差值超过闽值时，就切断此计算机输出，由备用计算机代替，替代顺序由开发人员预先指定。