随着综合管理、智能电气控制等技术在民用飞机上的应用发展，飞机机电系统也进入了一个新的综合发展阶段。基于此，本文给出一种机电系统综合控制仿真设计方案及半物理仿真验证平台。机电系统综合控制半物理仿真平台具有仿真飞机机电综合控制系统的系统构型、功能分配、控制率、信息传输、软硬件配置性能和电气接口特性等功能；具有仿真各机电系统接口信号的特征、工作模式和非正常状态的功能；具有仿真航电系统的显示和控制的功能。
一、设计理念
民用飞机机电系统综合控制可通过很多技术实现。顶部控制板数字化、分布式智能配电技术及综合数据总线传输是主要趋势。机电综合控制系统核心处理单元为两台电气系统控制器（ElectricalSystemController，ESC），它们采集各机电系统的信号，接收顶部控制板（OverheadControlPanel，OCP）的数字控制命令，按系统控制率进行逻辑解算并向固态二次配电装置（SecondPowerDistributionUnit，SPDU）发出通道驱动指令，实现对于各飞机机电系统的综合控制功能。顶部控制板管理计算机（OverheadPanelManagementProcessor，OPMP）用于将顶部控制板上的开关状态指令转换成总线信号发送至各机电系统控制器，接收来自各机电系统控制器的总线信号，驱动顶控板上对应的指示灯。同时向航电系统传输综合机电控制系统及其所监视的机电系统的告警信息，接收航电系统的维护命令等信息。综合机电控制平台各设备间可选用可靠性高的总线网络连接。基于以上机电综合控制系统方案研究，建立机电综合控制系统半物理仿真平台，其设计构成如图1所示。
二、功能和技术指标1设备功能
ESC仿真器采用计算机进行模拟，模拟各种信号的接口特性、硬件平台特性和系统软件性能，用于系统的构型、管理和控制率研究。ESC仿真器平台软件能够监控所有物理通道信号，包括离散量、模拟量输入硬线信号和总线信号，并提供系统控制率逻辑注入接口，便于用户软件的开发及控制率研究。SPDU仿真器以系统简图页的形式直观反映各SSPC的工作状态，具有SSPC的状态监控、负载显示、参数设置和故障注入功能，用于SPDU的各种工作模式、接口ICD设计和SPDU显示画面页与维护界面设计的评估与验证。SPDU仿真器能够对总线命令进行解析，图形化显示各通道状态，可以将相关参数上传至总线网络。顶控板仿真器以软件软面板的形式仿真顶控板上的各种物理开关和指示灯，模拟顶控板上的各种开关操作和指示灯状态，发出对各机械系统的操作控制命令，并接收机械系统各控制器的命令，控制各指示灯状态。前后客舱管理终端仿真器以软件面板的方式仿真前后客舱管理终端上的人机界面，具有总线信息交互功能，能发送各种控制命令，接收总线指令，显示机械系统有关参数、告警信息，并驱动终端上的各种指示灯。航电系统仿真器模拟航电系统网络的工作特性和接口ICD，模拟CAS告警功能，依据告警的级别按照规定的要求显示机电系统的CAS告警信息，以及维护功能管理。仿真器软件能接收综合机电控制系统上传的告警信息，具备向机电系统下发维护命令功能。机电系统仿真器模拟各机电系统各种类型的接口总线、模拟量和离散量接口信号的特性，模拟各机械系统的工作模式，并具有各种非正常状态的注入功能，以系统内简图页的形式直观反映各机电系统的状态。模拟各传感器和总线设备终端，软件控制产生相应的电气信号。总线监控器对机电综合控制系统内部总线进行实时监控，具备总线数据监测、记录和分析功能。2硬件要求整个机电综合控制系统半物理仿真平台采用下列硬件平台：1.每个网络节点由一台工作站或CPCI计算机组成；2.根据接口信号类型和数量需求，各节点选择合适的PCI/CPCI板卡；3.顶控板模拟器、航电系统模拟器和客舱管理终端模拟器安装于操作台中，其余设备安装于机柜中。
三、包含所有的硬线电缆和总线电缆及连接器1软件要求
软件设计界面应该满足以下的设计要求：对各类信号进行合理分组，分区管理和显示；仿真信号的选择方式（例如单选框、按钮等）简单、直观、易于操作；界面友好。仿真器开发使用的编程工具应能满足以下要求：便于源代码的设计、修改和移植；便于源代码的测试和维护；便于实现二次开发功能设计。四、设计架构1组成结构根据机电综合控制系统半物理仿真平台框图及相关功能和技术要求，设计了机电综合控制系统半物理仿真环境，如图2所示。除了ESC、SPDU、OPMP和航电系统的仿真器，前后客舱管理终端亦与机电综合控制系统交联，将前后客舱管理系统终端的命令发送给ESC，实现相应的控制，同时接收ESC的信息，在前后客舱管理系统终端上显示机械系统的显示和告警信息；机电系统仿真器仿真各机械系统的硬线和总线信号，通过仿真机械系统相关信号的内在关联关系，为ESC提供机械系统工作状态的动态仿真；总线监控器实时对总线状态和传输数据进行监控。机电综合控制系统内部总线类型采用双余度CAN总线。航电模拟总线可选用ARINC429总线。除航电系统仿真器、客舱管理终端仿真器外，其他仿真器都与机电综合控制系统内部总线相连。机电系统仿真器作为ESC1/2仿真器的激励器设备，支持ESC设备的半物理仿真。2硬件方案仿真器选用CompactPCI总线的工业控制计算机，采用机柜结构，如图3所示。每台仿真器由以下几部分组成：显示器；键盘；CPCI工业控制计算机，包含各类接口板卡；设备机柜；机柜内部布线及设备外部接口连接器。如图4所示。仿真器采用后布线方式，CPCI工控机后面板的接口信号首先引到机柜总接口（隔离面）处，然后由机柜总接口与其他仿真器系统连接。总接口采用防插错的、易于起拔的高可靠的连接器。仿真平台主要分为三类电缆：双冗余机电系统总线（ARINC825）、ESC仿真器与航电仿真器总线（ARINC429）及一般信号线缆。对于双冗余机电系统总线（ARINC825），系统中除航电系统仿真器和客舱管理终端仿真器以外，其他节点通过双冗余机电总线（ARINC825）互联，采用总线形式，为了便于连接，连接方式采用分段式菊花结构，将接口卡连接器通过转接小辫子变为菊花链连接的1入1出接口，外部分段电缆直接与与转接小辫的连接器连接。两台ESC仿真器与航电仿真器、客舱管理终端仿真器及机电仿真机之间的ARINC429互联总线采用点对点连接方式。3软件方案软件从上自下分为四个层次，即界面、解析引擎、网络化数据池、传输引擎。其结构如图5所示。界面可以看作是控件的集合。仿真系统涉及的控件主要有输入控件、输出控件和输入输出控件三种。输入控件用于实时刷新显示相关输入信号的最新值；输出控件用于为用户提供图形化编辑接口，对相关的输出信号进行赋值和周期性输出；输入输出控件则兼具输入显示和编辑输出功能。解析引擎负责为界面提供数据对象解析和缓存功能。因为数据对象的“含义”应该与“应用”有关，为降低不必要的解析开销，作为存储介质的网络化数据池中只保存来自设备驱动的原始数据（生数据）。解析引擎负责根据ICD把数据池中数据对象的原始数据转换为具有物理含义的应用数据（熟数据）供界面使用。此外，由于界面对网络化数据池的访问通常是远程访问，为避免界面阻塞降低用户体验，解析引擎在本地为每个需要使用的信号对象建立了缓存区。另一方面缓存机制也为界面对数据池进行写访问时实现“批量提交”和“撤销更新”提供了支持。网络数据数据池由数据服务器和多种数据对象（包括信号、数据字、数据包）组成。数据服务器负责创建和维护各数据对象，并提供远程调用（RPC）接口供网络上的其他节点进行访问。信号对象和数据包对象以ICD路径为索引进行存储和寻址。信号对象按照ICD的描述与数据包对象建立对应关系并实现自动更新。信号和数据包有输入和输出两种类型，但在数据池的实现中没有必要进行区分。控件和信号对象之间通过信号的ICD路径建立联系。每个控件可以对应一个或多个输入、输出信号。每个输入信号可以被一个或多个控件读访问。每个输出信号可以被一个或多个控件读访问，但只能被一个控件写访问。对于总线而言，数据包是信号的集合。对于硬线而言，为了在概念上统一，同样保留的数据包的概念。把每根独立的硬线看作是一个通道，其上仅传输一个数据包，该数据包的长度为1位，且仅包含一个信号。传输引擎主要包含传输任务和设备驱动。传输引擎初始化时会加载一个由ICD生成的接收清单和发送清单，并创建周期性接收任务和发送任务。接收任务负责从设备上接收数据并更新数据包对象；发送任务负责获取数据包对象的最新值并在设备上发送。设备驱动封装设备的访问细节。
四、结束语
目前飞机综合机电控制技术发展迅速，建立一个可靠有效的机电综合控制仿真平台极其必要。本方案中的机电综合控制系统仿真验证平台实现了相关控制器的全部接口的覆盖，提供的接口数量和性能指标能满足飞机系统需求，软件实现采用了可视化技术，软件组成和结构设计合理，选用了较为通用的开发环境和语言，较大程度地支持二次开发。
作者:杨阳 单位:中航西飞民用飞机有限责任公司
