民機(jī)飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)虛擬樣機(jī)驗(yàn)證平臺研究
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隨著虛擬樣機(jī)技術(shù)的成熟，國外已經(jīng)將虛擬樣機(jī)技術(shù)成功的應(yīng)用到各種復(fù)雜系統(tǒng)中。飛行控制系統(tǒng)正向著數(shù)字化、綜合化、智能化的方向發(fā)展，系統(tǒng)功能增加，構(gòu)成復(fù)雜，和機(jī)上其它系統(tǒng)交聯(lián)越來越多，設(shè)計(jì)難度越來越大。基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的設(shè)計(jì)方法為飛控系統(tǒng)的研發(fā)制造提供強(qiáng)有力的支持。
本文分析了民機(jī)Boeing777、A340和BuAA民機(jī)型方案的非相似多余度飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，對民機(jī)非相似余度飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)虛擬樣機(jī)的驗(yàn)證平臺進(jìn)行研究。
1．1虛擬樣機(jī)技術(shù)
虛擬樣機(jī)(Virtual Prototyping，簡稱VP)技術(shù)是一種基于產(chǎn)品的計(jì)算機(jī)仿真模型的數(shù)字化設(shè)計(jì)方法。這些數(shù)字模型即虛擬樣機(jī)(virtual prototype)，又稱為虛擬原型機(jī)，將不同工程領(lǐng)域的開發(fā)模型結(jié)合在一起，從外觀、功能和行為上模擬真實(shí)產(chǎn)品，產(chǎn)品在概念設(shè)計(jì)階段就可以迅速地分析、比較多種設(shè)計(jì)方案，采用相應(yīng)分析工具，對虛擬樣機(jī)的功能，性能進(jìn)行仿真分析，對虛擬樣機(jī)的行為進(jìn)行模擬分析，并基于分析結(jié)果，修改產(chǎn)品設(shè)計(jì)和相應(yīng)的仿真分析模型。虛擬樣機(jī)支持并行工程方法學(xué)，利用虛擬樣機(jī)替代物理樣機(jī)在產(chǎn)品全壽命周期過程中對產(chǎn)品進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)、測試、評估和人員訓(xùn)練，可以縮短研發(fā)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量。虛擬樣機(jī)技術(shù)是基于先進(jìn)的建模技術(shù)、多領(lǐng)域協(xié)同仿真技術(shù)、信息集成與管理技術(shù)、工程設(shè)計(jì)分析技術(shù)、交互式用戶界面技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的綜合應(yīng)用技術(shù)。
1．2飛控系統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)
飛機(jī)是一種極其復(fù)雜的系統(tǒng)，在其設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)和飛行過程中都將面臨許多技術(shù)難題，特別是一些新的關(guān)鍵技術(shù)和試驗(yàn)項(xiàng)目能否達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)，依賴制造物理樣機(jī)和進(jìn)行飛行實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證的代價是非常大的。隨著虛擬樣機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，飛機(jī)的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和運(yùn)行在概念和方法上有了新的飛躍。通過建立虛擬樣機(jī)來實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)已經(jīng)成為主流方向之一。
飛行控制系統(tǒng)作為飛機(jī)系統(tǒng)的重要一部分，也通過建立虛擬樣機(jī)來實(shí)現(xiàn)。它可以在一定的程度上實(shí)現(xiàn)真實(shí)物理系統(tǒng)的功能，驗(yàn)證系統(tǒng)性能是否合乎設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行系統(tǒng)的性能評價，克服飛控系統(tǒng)物理樣機(jī)花費(fèi)昂貴、制造周期長等缺點(diǎn)。使用虛擬原型機(jī)可以在飛控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)過程中實(shí)現(xiàn)真正的并行工程開發(fā)，滿足多學(xué)科設(shè)計(jì)組的工作要求，提高產(chǎn)品的開發(fā)效率。虛擬樣機(jī)技術(shù)可以貫穿于飛控系統(tǒng)研制的全過程，包括功能需求、軟件設(shè)計(jì)(包括概要設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì))、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)、系統(tǒng)集成和測試驗(yàn)證等階段。通過全生命周期的建模和仿真技術(shù)的應(yīng)用，VP為我們提供了一個能夠?qū)︼w控系統(tǒng)進(jìn)行反復(fù)設(shè)計(jì)、測試、驗(yàn)證和評估的開發(fā)平臺。
Honeywell空間系統(tǒng)部門提出了用于飛行器開發(fā)過程的航空電子綜合開發(fā)環(huán)境的概念，它綜合了很多商業(yè)軟件工具，各子系統(tǒng)設(shè)計(jì)并行進(jìn)行，采用共同的數(shù)據(jù)庫管理。系統(tǒng)的建模通過商用圖形交互環(huán)境VAPS完成，設(shè)計(jì)者可以采用圖形化的快速建模進(jìn)行初始設(shè)計(jì)配置和系統(tǒng)性能分析。AIDE提供標(biāo)準(zhǔn)組件的軟件模型庫，支持Ada、C和FORTRAN語言，庫中模型具有標(biāo)準(zhǔn)格式，使設(shè)計(jì)過程中所有的部門可直接獲得。J佃E的硬件結(jié)構(gòu)樣機(jī)開發(fā)單元建立在商業(yè)硬件上，包括兩部分：商業(yè)MIL-STD-1750A處理器，其上運(yùn)行Ada語言的飛行控制軟件；Intel 860的單板計(jì)算機(jī)，其上運(yùn)行相關(guān)的環(huán)境仿真軟件，稱為仿真引擎。仿真引擎的底板總線基于MultibusⅡ，提供飛行處理器和仿真引擎間的數(shù)據(jù)通信。
ADE綜合了TLD(Ada開發(fā)系統(tǒng))和Tartan(Ada編譯系統(tǒng))圖形化調(diào)試器，提供了運(yùn)行在飛行處理器和仿真引擎上的代碼可視性。用戶可同仿真引擎實(shí)時進(jìn)行交互，提供了一個快速設(shè)備觀察在用戶定義的條件下整個系統(tǒng)的執(zhí)行情況。使用Matrix X工具進(jìn)行自動代碼產(chǎn)生。
美國國家航空實(shí)驗(yàn)室NLR的FBW的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)環(huán)境具有模塊化的結(jié)構(gòu)和定義的界面。整個環(huán)境包括完全的飛機(jī)和飛行控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，具有圖形化用戶界面和線性化分析工具。FBW系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程自動化和性能評價通過開發(fā)的操作品質(zhì)評價工具箱執(zhí)行，這個工具箱是由一系列的功能組成，這些功能支持飛機(jī)性能的設(shè)計(jì)結(jié)果同設(shè)計(jì)需求進(jìn)行比較分析。為了獲得合適格式的分析數(shù)據(jù)，具有能夠計(jì)算縱向和橫向飛行品質(zhì)的低階等效系統(tǒng)，基于初始系列軍用規(guī)范建立設(shè)計(jì)參數(shù)。所有工具都是在Matlab/Simulink環(huán)境中設(shè)計(jì)，支持設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的交換進(jìn)行系統(tǒng)快速分析。仿真環(huán)境具有在線和離線分析能力；提供飛行可視化分析，數(shù)據(jù)以視頻方式存儲用于回放：飛行測試時進(jìn)行故障設(shè)置和測試。
JPL(Jet Propulsion Lab)開發(fā)的FST(Flight System Testbed)環(huán)境主要由COTS產(chǎn)品和JPL開發(fā)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的軟件組成忉。該環(huán)境由模塊化組件組成，定義和執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)時的功能界面，具有標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)接口和總線、基于32位CPU的商用實(shí)時操縱系統(tǒng)和支持廣泛使用的語言(C、C++和LabView)。先采用以太網(wǎng)作為通信媒介，之后被1553B總線代替，并不影響飛行器和仿真子系統(tǒng)。FST由一些太空船的子系統(tǒng)組成，可以開發(fā)太空船單個子系統(tǒng)的仿真模型。提供系統(tǒng)設(shè)計(jì)的連貫性和標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)水平界面。通過TCP／IP以太網(wǎng)將地理位置不同的部門連接，支持方便的獲得測試臺活動需要的組件或子系統(tǒng)模型。JPL同工業(yè)部門協(xié)商和建立合作關(guān)系，進(jìn)行新技術(shù)的評價。減少了工程成本，支持重復(fù)使用，對未來的任務(wù)需求評價新技術(shù)，發(fā)展測試環(huán)境的能力?；谝陨咸摂M樣機(jī)技術(shù)在飛控系統(tǒng)的應(yīng)用情況，飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)虛擬樣機(jī)支持環(huán)境的特征如下：開發(fā)環(huán)境由模塊化組件組成，可擴(kuò)展和重復(fù)使用；使用COTS硬件、軟件以及支持廣泛使用的語言；標(biāo)準(zhǔn)實(shí)時的系統(tǒng)界面，在不影響系統(tǒng)性能情況下允許真實(shí)子系統(tǒng)或組件的直接代替；由統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫管理，網(wǎng)絡(luò)連接飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中各部門進(jìn)行實(shí)時信息交換；圖形化交互軟件，可進(jìn)行可視化建模和分析。基于虛擬樣機(jī)技術(shù)在以上飛控系統(tǒng)中的應(yīng)用情況，并隨著虛擬樣機(jī)技術(shù)的發(fā)展，飛控系統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)的發(fā)展方向如下：
(1)建立一個先進(jìn)的、開放的、分布的和集成的支撐平臺，工具集，支持飛控系統(tǒng)整個生命周期的設(shè)計(jì)過程和性能評估。
(2)虛擬樣機(jī)開發(fā)環(huán)境具有通用性和可重用性，能夠完成多種不同類型飛控系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)，系統(tǒng)參數(shù)可調(diào)，模型具有良好的通用性、可移植性和可擴(kuò)充性，在更改有關(guān)算法和數(shù)據(jù)庫后，設(shè)計(jì)研究人員和使用方可對飛控系統(tǒng)進(jìn)行二次開發(fā)和分析研究。
(3)系統(tǒng)由大多數(shù)市場上COTS產(chǎn)品組成，采用模塊化結(jié)構(gòu)，具有易于擴(kuò)展和可重復(fù)使用的特性。標(biāo)準(zhǔn)實(shí)時的系統(tǒng)界面，在不影響系統(tǒng)性能情況下允許真實(shí)子系統(tǒng)或組件的直接代替；
(4)飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中各學(xué)科組、各部門和工業(yè)可實(shí)時地參與飛控設(shè)計(jì)和試驗(yàn)，交換設(shè)計(jì)信息，具有圖形化交互環(huán)境，可進(jìn)行可視化建模和分析。
(5)開發(fā)虛擬樣機(jī)平臺的關(guān)鍵技術(shù)，工程管理技術(shù)、多學(xué)科虛擬樣機(jī)協(xié)同仿真技術(shù)、前期概念規(guī)劃和后期性能評估技術(shù)、設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)、虛擬環(huán)境技術(shù)、模型的校驗(yàn)、驗(yàn)證和確認(rèn)技術(shù)。
(6)可進(jìn)行虛擬樣機(jī)的可制造性、可維護(hù)性和可適用性評估。
本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/201706/353820.htm 中國大型飛機(jī)研制重大科技專項(xiàng)已經(jīng)正式立項(xiàng)，民用飛機(jī)生產(chǎn)要達(dá)到當(dāng)前國際商業(yè)和經(jīng)濟(jì)環(huán)境的要求，迫使各個開發(fā)商在開發(fā)過程中減少開發(fā)代價、縮短生產(chǎn)周期。采用虛擬樣機(jī)技術(shù)是中國大型飛機(jī)研制中的必然選擇。
2非相似余度飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)介紹
民用飛機(jī)從開始使用電傳操縱系統(tǒng)后，由于更高的可靠性要求，較多使用非相似余度方案。
2．1 Boeing777的3×3余度主飛控計(jì)算機(jī)
Boeing777的主飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包括3個完全相同的數(shù)字式計(jì)算機(jī)通道，每個通道有3個非相似的支路，各個通道之間采用ARINC629數(shù)據(jù)總線通訊。每個支路軟件都采用Ada編寫，但采用三種不同的Ada編譯器編譯。支路的輸入輸出部分包括3個ARINC629終端，其中2個用于接收，1個用于發(fā)送／接收。Boeing777主飛控計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
個PFC內(nèi)的支路同步工作，三個通道以異步方式工作。通道間數(shù)據(jù)的比較和監(jiān)控以及系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)交換通過同組的數(shù)據(jù)總線進(jìn)行，通道內(nèi)各支路間數(shù)據(jù)比較和監(jiān)控通同組的數(shù)據(jù)總線進(jìn)行。通道內(nèi)支路間的專用總線，主要實(shí)時鐘同步和支路狀態(tài)交換，決定是否發(fā)送支路禁止和告警號等功能。
系統(tǒng)具有多級表決面，支路依靠自監(jiān)控和在線監(jiān)控確認(rèn)硬件正確性；每個支路接收來自通道內(nèi)其它兩個支路的離信號決定是否對該支路進(jìn)行支路禁止和失效告警，通過同總線進(jìn)行支路間的數(shù)據(jù)比較和監(jiān)控；指令支路計(jì)算出的關(guān)輸出參數(shù)同其它兩個通道指令支路對應(yīng)的輸出組進(jìn)行中選擇。
A340的飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包括3個飛控主計(jì)算機(jī)(FCPCs)和2個飛控輔助計(jì)算機(jī)(FCSCs)，還有兩個飛控制數(shù)據(jù)集中器(FCDCs)和兩個縫翼，襟翼計(jì)算機(jī)(SFCCs)。系統(tǒng)任務(wù)在FCPCs和FCSCs之間分配，任何時都有一個計(jì)算機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)，另外一計(jì)算機(jī)處于備份狀。每個計(jì)算機(jī)包含兩個支路：指令支路和監(jiān)控支路，兩支的功能不同。指令支路運(yùn)行分配給該計(jì)算機(jī)的任務(wù)，監(jiān)控路確保指令支路的正確性。飛控計(jì)算機(jī)采用了非相似的硬和軟件：FCPCs和FCSCs使用非相似的處理器；指令支和監(jiān)控支路使用不同的編程語言。飛控計(jì)算機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2示。
FCCs解算控制律給作動器發(fā)送指令，控制飛機(jī)的滾、偏航和俯仰，F(xiàn)CSCs處于備份狀態(tài)，當(dāng)FCPCs失效，F(xiàn)CSCs投入運(yùn)行。當(dāng)計(jì)算機(jī)的兩個支路的輸出不一致時，該計(jì)算機(jī)被切除，剩下的計(jì)算機(jī)按照預(yù)先規(guī)定的優(yōu)先級順序投入運(yùn)行。A340的飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)使用ARINC429總線進(jìn)行信息傳輸。
本課題組提出的Bu從余度飛控計(jì)算機(jī)新方案的總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。采用四套非相似處理器的計(jì)算機(jī)構(gòu)筑四余度系統(tǒng)，每個通道有兩個支路，指令支路和監(jiān)控支路。每個支路上運(yùn)行兩套控制軟件：主模塊和備用模塊。主模塊和備用模塊在功能上完全相同，具有三軸全權(quán)限工作能力。同一通道內(nèi)的兩個支路上運(yùn)行的主模塊軟件包不同，但都采用相同的軟件包作為備份，共使用了三種不同的軟件包，三個軟件包采用了差異性設(shè)計(jì)方法。ACE提供RFCC-CA的離散和模擬接口。每個ACE包含有4個終端控制器，3個接收，1個發(fā)送／接收。
每套計(jì)算機(jī)內(nèi)，指令支路和監(jiān)控支路同步運(yùn)行，使用相同的數(shù)據(jù)進(jìn)行控制律計(jì)算。指令支路執(zhí)行控制功能，發(fā)送控制指令。指令支路的主模塊失效后，備用模塊投入運(yùn)行。監(jiān)控支路監(jiān)控指令支路的運(yùn)行，兩個支路輸出的差值超過規(guī)定的閾值，則判定該通道失效，切斷該通道的輸出。RFCC-CA的四個通道按照異步方式全部投入工作，任意一個通道都能控制飛機(jī)飛行。每套計(jì)算機(jī)和AcE都從四余度總線接受數(shù)據(jù)，但只向同組的總線發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)本組的計(jì)算機(jī)或者總線失效后，ACE從其它總線選擇控制輸入。本組的ACE失效后，它控制的控制面的控制權(quán)限由其它的ACE代替。當(dāng)該計(jì)算機(jī)失效后，其控制任務(wù)由其它的計(jì)算機(jī)替代，替代順序由系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員事先規(guī)定。計(jì)算機(jī)控制權(quán)限分配、計(jì)算機(jī)控制任務(wù)的替換關(guān)系以及液壓源分配方式如圖5示。
每個支路依靠自監(jiān)控和在線監(jiān)控判斷本支路的輸出信號是否有效。本通道的監(jiān)控支路不僅監(jiān)控通道內(nèi)的指令支路，還監(jiān)控其它通道的指令支路。指令支路和監(jiān)控支路構(gòu)成比較監(jiān)控結(jié)構(gòu)保證輸出指令的正確。
3 民機(jī)飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)虛擬樣機(jī)開發(fā)與驗(yàn)證平臺研究
為了深入分析B0eing、Airbus系列和BUAA余度飛控計(jì)算機(jī)，比較諸方案的優(yōu)缺點(diǎn)，為我國大型民機(jī)的研究提出有益的建議，根據(jù)以上飛控系統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢，本課題組對民機(jī)飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)虛擬樣機(jī)的驗(yàn)證平臺進(jìn)行研究，該平臺可以實(shí)現(xiàn)Boeing777、A340和BUAA民機(jī)型非相似余度飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)虛擬樣機(jī)，從功能和行為上模擬真實(shí)的飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。
本文使用lO臺PC結(jié)構(gòu)工控機(jī)構(gòu)筑虛擬飛控計(jì)算機(jī)，選用兩種不同類型的處理器芯片，Intel和PowerPC。通道間的數(shù)據(jù)總線采用以太網(wǎng)，使用ARINC629總線協(xié)議進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)通道間和通道內(nèi)輸出數(shù)據(jù)比較的功能。通道內(nèi)各支路之間由于處理的信息量不大，采用計(jì)算機(jī)串行接口進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)各支路時鐘同步、系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)交換等功能，來發(fā)送支路禁止或失效告警信號。虛擬樣機(jī)配置方案如圖6示。
虛擬余度飛控計(jì)算機(jī)的運(yùn)行軟件環(huán)境為VxWorks實(shí)時操作系統(tǒng)，軟件程序由3個設(shè)計(jì)人員用C語言編制相同功能的不同版本算法程序，實(shí)現(xiàn)通道內(nèi)支路軟件非相似.虛擬樣機(jī)驗(yàn)證平臺的軟件系統(tǒng)包括系統(tǒng)管理軟件、余度管理軟件和應(yīng)用軟件，各軟件由不同的軟件模塊組成。系統(tǒng)管理軟件包括同步和異步、同步支路通訊、異步通道通訊、I/O管理、故障設(shè)置和記錄。余度管理軟件包括計(jì)算機(jī)BIT,輸入監(jiān)控表決、輸出監(jiān)控表決、故障檢測隔離和系統(tǒng)重構(gòu)。應(yīng)用軟件包括縱向和橫側(cè)向控制律。系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行利用了實(shí)時操縱系統(tǒng)Vxworks中基于優(yōu)先級的搶占式調(diào)度算法和基于時間片的輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法相結(jié)合的任務(wù)調(diào)度機(jī)制。系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)顯示和數(shù)據(jù)綜合處理計(jì)算機(jī)的軟件程序采用VC++開發(fā)。系統(tǒng)運(yùn)行管理計(jì)算機(jī)基于PDM軟件，對虛擬樣機(jī)開發(fā)過程中產(chǎn)生的全部數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合管理。
運(yùn)行開始時由數(shù)據(jù)綜合處理計(jì)算機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置。運(yùn)行過程中，各工控機(jī)從總線上接收飛行員指令，并接收來自信息管理系統(tǒng)的飛機(jī)姿態(tài)和外部大氣數(shù)據(jù)等信息進(jìn)行控制律解算，表決后的結(jié)果發(fā)送到總線上。數(shù)據(jù)綜合處理計(jì)算機(jī)從總線上接收輸出數(shù)據(jù)，并發(fā)送給舵面仿真子系統(tǒng)。舵面偏移量通過總線以數(shù)字量傳送到仿真計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。仿真計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)飛機(jī)運(yùn)動的實(shí)時仿真。系統(tǒng)狀態(tài)顯示計(jì)算機(jī)將各個虛擬飛控計(jì)算機(jī)上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行在線顯示，顯示的數(shù)據(jù)同時被記錄。
3.1 Boeing777飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)實(shí)現(xiàn)
用上述提出的虛擬樣機(jī)平臺實(shí)現(xiàn)Boeing777飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)如下圖7示。
PFC的支路軟件進(jìn)行在線自檢測，判斷本支路信號是否有效。監(jiān)控支路監(jiān)控結(jié)果反映在狀態(tài)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號，它作為消息的一部分通過總線傳輸。各通道指令支路的輸出同其它兩個PFC的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行中值表決，表決結(jié)果發(fā)送到指定總線上。
3．2 A340的非相似多余度飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)實(shí)現(xiàn)
A340的飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)虛擬樣機(jī)實(shí)現(xiàn)如下圖8示。A340飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)虛擬樣機(jī)由10個支路組成。系統(tǒng)任務(wù)在KPcs和FCSCs之間分配，計(jì)算機(jī)的功能不同，運(yùn)行的軟件不同。任何時刻都有一個計(jì)算機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)，另外一計(jì)算機(jī)處于熟備份狀態(tài)。每個計(jì)算機(jī)也包含兩個支路：指令支路和監(jiān)控支路。由于A340飛控計(jì)算機(jī)內(nèi)兩個支路的處理器類型相同，實(shí)現(xiàn)時也可以用同一臺計(jì)算機(jī)同時模擬這兩個支路，軟件上采用多線程編程的方法，用不同版本的支路軟件實(shí)現(xiàn)非相似，同時FCPC和FCSC的處理器非相似，保證硬件非相似。
兩個支路之間通過計(jì)算機(jī)串行接口進(jìn)行通信。指令支路輸出數(shù)據(jù)到總線上，監(jiān)控支路軟件也解算控制律，但只是監(jiān)控指令支路的運(yùn)行，不向總線發(fā)送控制指令。比較計(jì)算機(jī)的兩個支路的輸出，如果它們輸出的差值超過閩值時，就切斷此計(jì)算機(jī)輸出，由備用計(jì)算機(jī)代替，替代順序由開發(fā)人員預(yù)先指定。
BUAA余度飛控計(jì)算機(jī)(RFCC-CA)新方案的虛擬樣機(jī)實(shí)現(xiàn)如圖9示.
余度飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由四個通道組成，每個通道有兩個支路：指令支路和監(jiān)控支路。所有支路使用相同的數(shù)據(jù)進(jìn)行控制律計(jì)算。支路I，o端的總線仿真卡實(shí)現(xiàn)為4個終端，3個用于接收，1個用于發(fā)送／接收。通道內(nèi)支路同步工作，通道間按照異步方式工作。
每個支路通過軟件在線自監(jiān)控判斷本支路輸出信號是否有效：通道指令支路接受本通道和其它通道監(jiān)控支路的監(jiān)控，監(jiān)控結(jié)果通過總線傳輸；通道內(nèi)監(jiān)控支路計(jì)算兩個支路輸出的差值，同閾值進(jìn)行比較，超過閾值則設(shè)置該通道輸出禁止。
3．4民機(jī)虛擬樣機(jī)驗(yàn)證平臺實(shí)現(xiàn)分析
虛擬樣機(jī)驗(yàn)證平臺可以針對具體飛控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，在飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)虛擬樣機(jī)中完成了控制律和總體的余度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，進(jìn)行具體的軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、任務(wù)綜合、系統(tǒng)測試等工作。系統(tǒng)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)傳送給系統(tǒng)運(yùn)行管理計(jì)算機(jī)，由它對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時存儲，必要時提供對仿真測試結(jié)果的圖形化顯示，由軟硬件設(shè)計(jì)人員共同分析得出設(shè)計(jì)建議。該驗(yàn)證平臺運(yùn)行在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，不能仿真飛控系統(tǒng)的壽命和故障率，但可以模擬飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能和行為，并可人為的用軟件方法設(shè)置故障，包括瞬態(tài)、間歇和永久性故障，檢驗(yàn)系統(tǒng)的故障檢測邏輯功能，并能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)重構(gòu)功能。
本文對民機(jī)非相似余度飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)虛擬樣機(jī)開發(fā)和驗(yàn)證平臺進(jìn)行了研究，該平臺能夠模擬Boeing777. A340和BUAA民機(jī)型新方案的飛行控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，仿真它們的工作過程，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中再現(xiàn)民機(jī)飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，對我國的研究工作提供借鑒和參考.平臺還具有以下功能:
(1)此平臺具有開放性和可擴(kuò)展性，可以對其他開發(fā)人員提出的飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行虛擬樣機(jī)實(shí)現(xiàn)、驗(yàn)證和性能評估;
(2)采用虛擬樣機(jī)平臺進(jìn)行飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可以在需求發(fā)生變化時快速構(gòu)筑多種不同結(jié)構(gòu)的飛控系統(tǒng)配置，支持多學(xué)科設(shè)計(jì)組在該環(huán)境下進(jìn)行多種參數(shù)的設(shè)計(jì)，支持不同模塊間的并行設(shè)計(jì)和測試;
(3)基于此平臺飛控系統(tǒng)虛擬樣機(jī)實(shí)現(xiàn)過程中每一階段的設(shè)計(jì)，均可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級的驗(yàn)證，確認(rèn)其設(shè)計(jì)功能的有效性，工作的穩(wěn)定性等;
(4)虛擬樣機(jī)平臺與驗(yàn)證環(huán)境相聯(lián)，對飛控系統(tǒng)虛擬樣機(jī)進(jìn)行模型校驗(yàn)、驗(yàn)證和確認(rèn)。評價結(jié)果可供其它VP使用，或輸出到其它子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)環(huán)境;
(5)基于PDM的體系結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的全部數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合管理。
本文介紹了虛擬樣機(jī)技術(shù)的概念，對飛控系統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用狀況進(jìn)行了概述。為了深入分析Boeing, Airbus系列和BUAA民機(jī)型新方案的余度飛控計(jì)算機(jī)，對民機(jī)非相似余度飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行了研究，該平臺可以實(shí)現(xiàn)Boeing777, A340和BUAA民機(jī)型新方案的非相似余度飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)，面向大型民機(jī)設(shè)計(jì)，符合飛控系統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢。
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