直升機機電綜合管理系統通用仿真設備設計

吳麗媛,王 偉

(中國直升機設計研究所,江西 景德鎮 333001)

0 引言

各種機載系統如航天運載器、航空器、輪船、現代化汽車等，其內部都包括多個機電子系統，這些子系統也稱為公共設備子系統，比如航空器通常包括：防滑剎車、前輪轉彎、起落架收放、環境控制、電源管理、液壓及燃油子系統，它們是飛行控制系統、火控系統、航空電子系統、顯示系統、機載武器投放系統的安全保障系統，這些系統的綜合化控制和管理即是機電綜合管理系統[1]。直升機機電綜合管理系統主要是監控直升機各機電子系統包括動力系統、傳動系統、液壓系統、電源系統、燃油系統、滅火系統、旋翼防除冰系統、外吊掛系統等的工作狀態，管理各機電子系統及自身的自測試過程，記錄故障數據，將故障告警信息和燃油量、主減滑油壓力、發動機參數等狀態參數傳送給航空電子系統，并將大氣溫度、真空速等航空電子系統參數傳送給機電子系統，實現信息共享。

直升機機電綜合管理系統仿真設備用于模擬直升機各機電子系統的工作狀態和邏輯以及航空電子系統的總線邏輯和工作模式的試驗，以支持機電綜合管理系統的開發、調試、測試、驗證以及交付驗收，其功能圖見圖1。

以往的機電綜合管理系統仿真設備都是一對一模式，即一套機電綜合管理系統仿真設備對應一個型號的研制，設備利用率低，會造成資源和人員的浪費。為了實現一對多模式，即一套仿真設備滿足多個型號的使用要求，設計了一套機電綜合管理系統通用仿真設備，只需重新配置ICD，可適用于多個型號機電綜合管理系統的研制，可以節約成本，提高設備的利用效率，減少人員工作量。

圖1 功能圖

1 概要設計

從概念上講，機電綜合管理系統就是一個嵌入式實時計算網絡，傳輸全機系統大量數據的能力是實現容錯、重構和資源共享的目標的關鍵[2]。在通用仿真設備中以主控計算機和光纖、以太網為硬件，虛擬儀器工程軟件包LABVIEW、MATLAB建模軟件Simulink、Visual C++和其它用戶應用程序為軟件，組成系統數字仿真平臺；以仿真目標機、信號調理箱和信號轉接箱為硬件，在系統數字仿真平臺的基礎上，組成軟硬件開發、調試、測試與驗證平臺。

機電綜合管理系統通用仿真設備體系結構如圖2所示。

綜合配線完成仿真設備層與機電綜合管理系統的連接關系匹配。

仿真設備層提供仿真設備所需的信號激勵及采集功能的執行載體，包括模型仿真、機電接口仿真及總線接口仿真功能。

圖2 機電綜合管理系統通用仿真設備體系結構

CIA傳輸層是核心構成，為機電系統模擬綜合裝置提供了一個全部節點可見的全局數據空間，所有功能部件均通過CIA傳輸層進行數據和命令的交互。CIA傳輸層采用以太網及反射內存網作為傳輸介質，并提供一組CIA協議接口給所有的功能節點，實現對CIA數據的訪問。基于CIA,實現了各節點的功能解耦，具備極好的擴展能力。

人機接口層提供了對軟件仿真程序進行配置、管理、操作的接口。

2 詳細設計

2.1 系統構成

機電綜合管理系統通用仿真設備主要包括以下五個組成部分：主控計算機、仿真目標機、信號調理箱、信號轉接箱、直流穩壓電源，如圖3所示。

圖3 機電綜合管理系統通用仿真設備構成圖

直流穩壓電源用于給機電綜合管理系統供電，能夠程控和手動調節，具有穩壓穩流輸出、過壓過流保護功能。

主控計算機是通用仿真設備的核心，包含總線板卡，并駐留主要仿真軟件，包括ICD管理軟件、仿真主控軟件、虛擬儀表軟件、建模軟件和硬線管理軟件。針對不同型號的機電綜合管理系統，可以通過ICD管理軟件配置不同的ICD，并在仿真主控軟件中體現出來。仿真主控軟件能夠實現任務配置管理、數據通信、數據顯示分析、狀態監測、故障告警等功能。虛擬儀表軟件主要用于模擬航空電子系統操作界面以及數據、故障顯示畫面，通過總線與機電綜合管理系統進行交聯，同時配合仿真主控軟件完成自動測試功能。

仿真目標機通過光纖和以太網與主控計算機連接，在主控計算機的控制下，加載并運行航空電子系統和各機電子系統模型，包括電源系統、傳動系統、動力系統、液壓系統、燃油系統等。仿真目標機中包含DIO卡、DA卡、電阻卡、小信號卡、頻率量卡、RS422串口卡等，能夠產生離散量輸入/輸出信號、模擬電壓信號、電阻信號、模擬小信號、頻率信號、RS422串口信號等，用于模擬仿真各機電子系統的信號。以太網主要用于下發ICD等靜態配置以及控制信息，光纖主要用于傳輸動態數據，將主控計算機中的仿真主控軟件中設置的數據和故障信息下發給仿真目標機以實現仿真，同時也將從機電綜合管理系統采集的信號送給主控計算機。

信號調理箱中包含調理板卡，用于調理離散量輸入/輸出、RS422串口等信號值以符合要求。

信號轉接箱用于將模擬仿真的各信號值通過在轉接前面板使用跳線帽傳送給機電綜合管理系統，同時也采集機電綜合管理系統發送的信號值，并通過配線完成通用仿真設備與機電綜合管理系統的連接。

2.2 分布構成

機電綜合管理系統通用仿真設備可以分成獨立的兩部分分別與機電綜合管理系統進行交聯，一部分是機電系統模擬綜合裝置，一部分是機電管理計算機接口控制顯示裝置。將機電綜合管理系統通用仿真設備的主控計算機中的總線板卡獨立出來，作為機電管理計算機接口控制顯示裝置，UICD主控計算機中包括航電ICD管理軟件、虛擬航電界面軟件等，通過總線與機電綜合管理系統連接，用于模擬仿真航空電子系統的總線邏輯和工作模式。其余部分作為機電系統模擬綜合裝置，USI主控計算機中包括機電子系統ICD管理軟件、仿真主控軟件、建模軟件和硬線管理軟件等，通過配線與機電綜合管理系統連接，用于模擬仿真各機電子系統的工作狀態和邏輯，如圖4所示。

圖4 分布構成圖

2.3 性能分析

配線所用電纜適配，可以完成與不同型號的機電綜合管理系統的物理連接。ICD可配置，仿真主控軟件的運行項目可配置，可以完成與不同型號的機電綜合管理系統的通信，滿足機電綜合管理系統研制的需要，支持機電綜合管理系統的調試和驗證。

仿真目標機中各信號類型均有備份信號通道，當某個信號通道不可用時，可以通過跳線的方式使用備份信號通道，提高了機電系統模擬綜合裝置的可靠性。

為了方便測試和驗證機電綜合管理系統的功能與性能，開發了自動測試功能，只需錄入所需測試用例，就能夠自動測試機電綜合管理系統是否符合要求。

3 結論

為了滿足直升機機電綜合管理系統研制的需要，同時節約成本，減少人員工作量，設計了一套滿足多個型號機電綜合管理系統使用要求的通用仿真設備，用于模擬仿真各機電子系統的工作狀態和邏輯以及航空電子系統的總線邏輯和工作模式。同時還開發了自動測試功能，一鍵操作就能實現所有接口的測試驗證。通過可配置的ICD，該通用仿真設備適用于各型號機電綜合管理系統的研制。經與多個型號的機電綜合管理系統的綜合試驗驗證，表明該通用仿真設備運行穩定可靠，具有較好的可靠性和可擴展能力。

參考文獻：

[1] 王占林,陳 娟.機電系統的總線綜合管理[M].北京:國防工業出版社,2010.

[2] 陳 娟,王占林,馬保海等.機載機電系統綜合管理仿真平臺的研究[J].儀器儀表學報,2002,23(3):933-935.

[3] 王占林,裘麗華.機載機電系統總線管理研究[J].中國工程科學,2001,3(6):48-52.

[4] 劉巧珍,裘麗華,王占林.機載機電系統綜合管理分布式仿真平臺設計[J].系統仿真學報,2005,17(3):620-622.