UMS數字仿真環境設計

梁哲 閆穩 趙君 韓佳瑋 中國航空工業集團公司西安航空計算技術研究所

1 概述

隨著仿真技術的發展，引入了新的設計理念，出現了快速控制原型（RCP, Rapid Control Prototyping）的概念。設計師不再需要等待系統硬件完成后，才能對算法進行驗證，可以通過快速控制原型實現算法測試。早期快速原型系統通常采用內部使用的硬件系統或原型產品，費用較高，通用性不好。

快速控制原型技術作為對控制算法的驗證手段，在國內外得到了廣泛的應用。由于快速控制原型在開發效率、開發速度上的優勢，這一技術在汽車、航空航天領域得到更多的推崇。快速原型硬件平臺也逐步通用化，誕生了大量的實時仿真設備，支持系統快速控制原型的開發。

在國外，dSPACE、RT-Lab等實時仿真產品在航空、航天、國防等領域有很多應用實例。目前這些產品在國內也是業內普遍認可的成熟實時仿真產品。UMS數字模型仿真環境建立針對UMS建模、仿真與驗證環境，支持基于模型的機電管理系統計算機開發與設計，實現機電管理系統計算資源的快速原型設計與驗證環境。UMS數字模型仿真環境主要包括機電管理計算機（UMC）和遠程接口單元（RIU）。UMC主要完成對機電管理各子系統進行系統監控、狀態監測和故障檢測等功能，并實現關鍵任務的余度管理；RIU主要完成機電子系統的軟硬件仿真，具備模擬機電系統典型運行工況的能力，并支持故障注入與針對基于RIU網絡架構的機電管理系統的綜合測試與評估。

2 UMS數字仿真環境設計

UMS數字模型仿真環境主要包括：機電管理分系統產品模型包、機電管理分系統交聯環境仿真軟件包、接口擴展單元以及遠程接口單元快速原型驗證設備。UMS數字模型仿真環境組成架構圖如圖1所示。

圖1 UMS數字模型仿真環境組成

2.1 RCP設計

基于機電管理分系統快速原型開發環境，能夠對機電管理分系統完整生命周期進行開發支持及驗證。具體包括：全數字仿真階段、模型半物理仿真、模型半物理混合仿真以及UMS系統仿真驗證四個階段。各階段系統架構及組成如圖2所示。

UMS系統全數字仿真階段基于高性能計算平臺，采用Mathworks公司相關軟件產品如Matlab、Simulink、staefllow等，可以完成UMC，RIU及通用處理控制計算機的建模與仿真。

半物理仿真基于經過仿真驗證的UMC與RIU數學模型，利用dSPACE平臺與仿真激勵單元，可以實現基于模型的仿真驗證。

模型半物理混合仿真通過仿真激勵單元與待驗證產品構建虛擬與真實混合仿真激勵環境，其中仿真激勵單元實現真實數據與虛擬數據的融合。

UMS系統仿真使用信號產品中的UMC與RIU構成真實應用，通過仿真激勵單元構建機電分系統仿真測試用例，實現UMS系統仿真驗證。

2.2 軟件設計

UMS數字仿真環境軟件包括：總線數據服務層，I/O數據服務層，手動測試計量軟件，ICD配置管理軟件，數據記錄軟件，數據分析軟件及主控軟件等部分組成。

a.總線數據服務層，主要運行于NI 的RT平臺，完成1553B總線，RS429總線，RS422總線的周期性數據接收與轉發（周期可配置，緩沖區可配置），支持基于ICD配置表的數據解析與封裝，支持與上位機和I/O數據服務層交互數據（基于ICD表）。總線數據服務層支持總線功能配置，主要用于RT系統運行時1553B總線板卡，RS429總線板卡與RS422總線板卡工作模式，包括BC/RT/BM設置，RT地址設置，矢量字設置，波特率設置等，通過配置方式加載3種總線配置信息至底層板卡，系統運行時允許用戶更改總線配置信息，例如將自身RT置為BC，更改波特率等；

圖2 UMS系統仿真驗證階段及架構

b.I/O數據服務層，主要運行于NI的RT平臺，完成NI 標準接口板卡的輸入與輸出控制，可基于ICD配置表完成接口工作參數初始化，采集周期配置，輸出周期配置，數值公式計算，數據解析與封裝，支持與上位機和總線數據服務層交互數據（基于ICD表）；

c.手動測試計量軟件，支持針對所有硬件板卡資源的手動測試，支持針對所有硬件板卡資源的計量需求；

d.ICD配置管理軟件，支持I/O接口配置，支持總線接口配置，支持所有交互數據的ICD配置管理，支持基于工程的導入導出；

e.數據記錄軟件，支持I/O服務層交互數據記錄，支持總線服務層交互數據記錄，記錄數據需要具備RT設備的時戳，交互數據格式由ICD管理軟件的配置表決定；

f.數據分析軟件，支持針對記錄數據的基于條件的參數檢出，曲線繪制，閾值判斷，公式計算（例如C=A+B，其中A、B為記錄數據，C為新增參數）；

g.主控軟件，支持其他方式的主控軟件替換，數據接口ICD必須符合與其交聯的I/O數據服務層與總線數據服務層接口ICD約束。本系統主控軟件為支持基于底層硬件板卡和總線板卡的自回繞運行，以證明系統軟件模塊工作正常（機載供電系統控制律驗證）。

3 結論

本文設計的UMS數字仿真環境，將仿真結果與實際試驗進行比較，結果顯示本仿真環境的實時性、精確性達到設計預期，并且運行穩定。本仿真環境的應用，有效的簡化了方案迭代過程，提升了UMS設計效率。