一种相似多通道发动机控制系统控制软件开发_朱帅琦.pdf

内燃机与配件 w w w.n r j p j.c n一种相似多通道发动机控制系统控制软件开发朱帅琦,吴远盛,王逸凡(中国航发控制系统研究所,江苏 无锡 2 1 4 0 6 3)摘 要:随着全权限数字电子控制系统(F A D E C)的发展,要求控制系统中控制软件适应更为复杂的控制场景,使用更为多样的控制方式,以及在系列发动机中,要保持控制规律的一致性,在软件开发维护、调试、验证过程中保证高质、高效。基于这样一种现状,本文介绍了一种发动机控制软件的开发方式,它主要采用了以下方法:1.基于模型设计(MB D)软件设计实现验证方法;2.A R I N C 6 5 9总线的数据通讯;3.非相似多余度控制器硬件平台下的多配置项控制软件相似设计实现;4.分级的测试验证方法。以满足上述控制软件开发要求。关键词:F A D E C;数控系统;控制软件;A R I N C 6 5 9总线;MB D;项控制软件相似设计 中图分类号:V 2 3 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 4-9 5 7 X(2 0 2 3)0 8-0 0 7 9-0 3D e v e l o p m e n t o fC o n t r o l S o f t w a r eW h i c hh a sA p p l i c a t i o n i nT h eS i m i l a rM u l t i-c h a n n e lA e r oE n g i n eC o n t r o l S y s t e mZ h uS h u a i-q i,WuY u a n-s h e n g,W a n gY i-f a n(A E C CA e r oE n g i n eC o n t r o lS y s t e mI n s t i t u t e,J i a n g s uWu x i 2 1 4 0 6 3)A b s t r a c t:W i t ht h ed e v e l o p m e n to f t h eF A D E C,t h ec o n t r o l s o f t w a r e i nt h ec o n t r o l s y s t e mi sr e q u i r e dt oa d a p t t om o r e c o m p l e xs c e n a r i o s a n du s em o r ed i v e r s e c o n t r o lm e t h o d s,i t i sn e c e s s a r yt om a i n t a i nt h ec o n s i s t e n c yo f t h ec o n t r o ll a wi n s e r i e s e n g i n e s,a n d i n t h e p r o c e s s o f s o f t w a r e d e v e l o p m e n t,d e b u g g i n g,a n dv e r i f i c a t i o n,i t e n s u r e s h i g hq u a l i t y a n de f f i c i e n c y.B a s e do n s u c ha s t a t u s q u o,t h i s a r t i c l e i n t r o d u c e s a c e r t a i n t y p e o f e n g i n e c o n t r o l s o f t w a r e d e v e l o p m e n tm e t h-o d,w h i c hm a i n l yu s e s t h e f o l l o w i n gm e t h o d s a r eu s e d:1.b a s e do n t h em o d e l d e s i g n(M B D)s o f t w a r ed e s i g na n d i m p l e-m e n t a t i o nv e r i f i c a t i o nm e t h o d;2.A R I N C 6 5 9d a t a b u s c o mm u n i c a t i o n;3.s i m i l a r d e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o no fm u l t i-c o n-f i g u r a t i o n i t e mc o n t r o l s o f t w a r eu n d e r d i s s i m i l a r r e d u n d a n c y c o n t r o l l e r h a r d w a r e p l a t f o r m;4.m u l t i-l e v e l t e s t a n dv e r i f i c a-t i o nm e t h o d.T om e e t a b o v e t h e c o n t r o l s o f t w a r ed e v e l o p m e n t r e q u i r e m e n t s.K e yw o r d s:F A D E C;C o n t r o l s y s t e m;C o n t r o l s o f t w a r e;A R I N C 6 5 9d a t ab u s;MB D;S i m i l a rd e s i g no f i t e mc o n t r o l s o f t w a r e作者简介:朱帅琦(1 9 8 6),男,河南省许昌市人,汉,工程师,硕士研究生,研究方向:航发控制软件开发。1 引言自从数字电子控制方式在航空发动机控制系统中使用以来,数字电子控制系统(简称数控系统)就凭借自身控制精度高、重量轻、可靠性高、控制方式多样等优势迅速发展起来,数控系统正在逐步替代原有的控制系统,在导弹、火箭、飞机、舰、船、电厂等领域广泛应用1。随着应用场景和应用对象的发展,控制系统变的越来越复杂,功能越来越强大,需求迭代越来越迅速,这就对数控系统的研制提出了更高的要求,尤其是控制软件的开发研制。随着发动机装机对象的细分,一种核心机会应用在不同的领域,形成多种发动机,从而衍生出多种多样的控制系统,这类控制系统有着相似的控制规律,只是在外部接口和使用维护需求上有所不同。发动机种类增多导致控制系统增多,这就使系统开发周期变短,维护周期变长,给控制系统控制软件的研发维护带来了巨大的考验。而且数控系统经过多年的发展正在逐步摆脱机械液压的限制,发展成为全新的全权限数控系统(F u l lA u t h o r-i t yD i g i t a lE l e c t r o n i cC o n t r o l,F A D E C),为了保证控制系统的可靠性和安全性,这类系统一般设计有多个控制通道,多余度的传感器和执行结构,在控制算法和控制逻辑上相较一般数控系统更为复杂,可靠性、安全性要求更高。针对这一现状,本文介绍了一种发动机控制系统的控制软件(下文简称某种控制软件)的开发方法。主要解决了以下问题:1.具有相似控制规律的控制系统如何在短期内完成开发验证,降低缺陷泄露。2.如何实现多节点间,高可靠,高速率的数据通讯,以控制系统间协同工作。3.多通道、非相似多余度的系统结构下,控制软件如何开发实现、能够在后期维护中降低缺陷的引入,减少人力和时间的投入。4.如何保证测试验证的充分性,避免问题泄露。2 基于MB D的设计实现验证基于模型的设计(M o d e l-B a s e dD e s i g n,MB D)是一种围绕模型搭建展开的项目开发方法。本文所述的MB D方法是指使用S i m u l i n k/S t a t e F l o w或者其他工具实现模型开发嵌入式软件的设计方法2。这种方法使用图形化的设计方式,开发者可以在完成模型搭建后,提前对算法模型进行验证和确认,在完成验证后可以通过模型自动生成代码和相关文档。由于代码对模型的符合性已通过工具保证,模型的验证等同于代码的验证6,所以,模型的验证中已经尽可能可发现并解决B u g,可以降低代码的缺陷97DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.08.0302 0 2 3年第8期率,提高开发效率。由于MB D使用的是基于图形化设计方式,相对高级语言更加清楚和容易理解,复用迭代效率高,提前验证的方式可以降低缺陷泄露到开发过程后端,减少迭代,符合目前发动机控制软件研制的要求。2.1 MB D的功能及架构设计某种控制软件主要有以下功能需求:1.输入输出信号处理。2.故障诊断及处理。3.控制逻辑计算。4.状态监视、数据存储及其他。其中控制逻辑计算、故障诊断处理中的部分功能使用MB D方式开发。根据调用速率、功能内聚原则、复杂度等因素将MB D分为三个模块:1.燃油计算、消防喘控制模块(m o d e l_1)。2.导叶、喷 口 计 算 模 块(m o d e l_2)。3.伺 服 计 算 模 块(m o d e l_3)。顶层设计如图1、2、3.图1 m o d e l_1设计图图2 m o d e l_2设计图图3 m o d e l_3设计图MB D部分接收外部输入信号、控制指令、发动机状态等信号,通过内部计算形成控制目标值、伺服输出信号,最终由控制器输出至外部实现控制功能。其中MB D的三个模型m o d e l_1、m o d e l_2、m o d e l_3内部构建输入输出关系,形成闭环。2.2 MB D的仿真验证图4 MB D的仿真验证使 用S i m u l i n k中仿真工具,搭建包含发动机模型、伺服机构模型的闭环仿真环境,验证对需求的符合性,减少缺陷泄露至开发后端导致的迭代,提升开发效率。其中模型仿真结构示意如图4。2.3 MB D的代码自动生成S i m u l i n k中S i m u l i n kC o d e r工具箱提供了将模型转换为嵌入式C代码的功能。在自动生成过程中(如图5所示),首先模型会变成一个文本的.r t w模型描述文件,该文件描述了所有模块、输入、输出、参数、状态等模型全部配置和属性信息,然后通过T L C(T a r g e tL a n g u a g eC o m-p i l e r)定制生成不同的代码,最终通过m a k e f i l e文件自动生成编译连接,生成目标平台上运行的可执行文件。除此之外S i m u l i n k还可以通过选项配置对生成的代码进行优化,达到可读性和运行效率最佳。某种控制软件中MB D部分使用了代码自动生成,使用自定制的自动生成选项,将模型生成了C代码,并通过固定的规则形成一定的文件结构,与手工代码集成编译。图5 MB D的代码自动生成3 A R I N C 6 5 9总线的数据通讯对于多通道结构的控制系统,在通讯数据量,节点间的数据协同,通讯的可靠性都有较高要求,一般总线很难满足这些需求。而A R I N C 6 5 9总线是一个基于时间表驱动的总线型多节点串行通信总线,具有传输时间确定性、高容错性和高可靠性等特点,能够满足航空武器装备在数据通讯上的需求,而且该总线早已应用在波音7 7 7等飞机管理系统中1 2。一般 来 讲,控 制 系 统 中 每 个 通 道 可 以 使 用 一 个A R I N C 6 5 9总线节点,每个通道设计自身的命令表,通讯时不同节点按照配置表在固定的时刻执行数据的收发,通过不同速率的任务调度,实现不同周期的通道间数据通讯,协调系统实现控制同步。A R I N C 6 5 9物理层特点可保证通讯的高可靠性,高速率的通讯时钟,实现高速率的数据传统,保证了复杂系统内的大量数据通讯的要求。4 非相似系统的相似设计某种控制软件运行的硬件平台有三个控制通道,两个主控制通道,一个电备份通道,其中两个主控制通道硬件资源差异较小,主要在接口余度上有差异,主控制通道和电备份通道之间硬件差异较大。在软件需求上,两个主控制通道软件需求基本一致,互为备份,电备份通道软件需求同主控制通道小部分相同,有明显差异。如果三个通道使用同的软件,复杂程度过高,而且后期存在较大维护风险。所以某种控制软件选择主控通道使用一个配置项,电备份通道使用另外一个配置的方式,但是在设计实现中使用多个方法保证两个配置项尽量相同,从而降低多配置项维护的工作量。4.1 使用条件编译将两个配置项的代码尽可能保持一致,相同的需求使用相同的实现,如果需求不同则保持函数相同,在函数内部使用条件编译的方式将两个配置项的功能需求实现并区分,保证两个配置项之间的.c和.h一致。#i f n d e fCHANN E L_C/主控通道逻辑08内燃机与配件 w w w.n r j p j.c n#e l s e/电备份通道逻辑#e n d i f4.2 软件接口一致性为了减少两个配置项代码实现的差异,提升系统可维护性,所以将以下几个层面的接口保持三通道一致。一.监视数据接口:将三个通道监视数据接口保持一致,对于通道内缺少的数据接口,使用通道间通讯获取其他通道的数据,使三个通道的监视数据接口一致。这样的策略是建立在通道间通讯、外部通讯有足够的时间空间余量的基础上。二.采集/输出等外部接口:1.对于不同通道采集/输出同一信号不同余度的接口,定义成相同的变量,保证不同通道处理逻辑相同。2.对于本通道没有其它通道有的采集/输出接口,定义成相同的变量,在不存在该信号的通道在逻辑运算中不进行处理。3.对于物理地址/来源不同但是物理意义相同的接口,定义成相同的变量,将通道间的数据来源差异封闭在采集/输出过程中。三.内部数据接口:对于将会用于相同处理逻辑但是不同通道来源不同的数据接口,或者计算逻辑内部可以统一的数据接口定义成统一的。这部分主要是应用层逻辑内部,模块之间的数据接口,它将通道间的差异封闭在模块内部,保证具有相同处理逻辑的模块的代码一致性。4.3 可调参数接口一致性某种控制软件所使用的可调参数存储空间三个通道独立而且余量充足,为了减少通道间差异带来维护不便的问题,将三个通道的可调参数接口保持一致,三个通道使用一份相同的可调参数接口文件。5 测试与验证为了提升测试验证的充分性和效率,某种控制软件采用分步分级方式进行测试与验证,除了静态分析与单元测试外,主要进行了部件测试与验证、全数字闭环测试与验证、硬件在回路测试与验证,最终给出控制软件测试验证结果。5.1 部件测试与验证在部件测试与验证环节中,选择软件的单一模块作为验证对象,开环注入模块输入元素,确认输出元素。通过工具自动化该过程,设计用例,查看验证结果。如图6所示。图6 部件测试验证示意5.2 全数字闭环测试与验证全数字仿真平台环境包含发动机数学模型、伺服执行机构模型,控制软件,上位机监视软件,以及全数字测试软件,它可进行除去硬件接口、B I T诊断之外所有控制软件需求的图7 全数字闭环测试验证示意测试与验证。如图7所示。5.3 硬 件 在 回 路 测 试 与验证硬件在回路测试验证环境包含真实控制器,发动机数学模型、伺服执行机构模型。作为控制软件最接近真实应用的测试验证环境,可以模拟全包线范围内,发动机起动、慢车、中间、加力状态下燃油、导叶等所有控制软件需求功能。如图8所示。图8 硬件在回路测试验证示意6 结束语本文对运行在一种多通道非相似输入输出余度硬件平台的控制软件开发进行了研究,其中使用了MB D的设计实现方法,A R I N C 6 5 9数据总线通讯,多配置项的相似设计实现,和分步分级测试验证方法。结果表明,这些方法可以提升软件开发效率,减低缺陷泄露,提升控制软件的可维护性、提升控制系统的可维护性,对于其它类似控制系统具有一定的借鉴意义。参考文献:1 张绍基.航空发动机控制系统的研发与展望.航空动力学报.2 0 0 4年3期.2 马恩,刘富荣,王鸿钧.基于MB D的商用航空发动机控制软件架构设计.航空计算技术,2 0 1 3年1 1月.3R T C A D O-1 7 8 CS o f t w a r eC o n s i d e r a t i o n si nA i r b o r n eS y s t e m sa n dE q u i p m e n tC e r t i f i c a t i o n.S C-2 0 5,D e c e m-b e r1 3,2 0 1 1.4R T C A D O-3 3 1 M o d e l-B a s e dD e v e l o p m e n ta n dV e r i f i-c a t i o nS u p p l e m e n t t oD O-1 7 8 Ca n dD O-2 7 8 A.S C-2 0 5,D e c e m b e r1 3,2 0 1 1.5C o m p l y i n gw i t hD O-1 7 8 Ca n dD O-3 3 1u s i n g M o d e l-B a s e dD e s i g n.B i l lP o t t e r.M a t h W o r k s,I n c,2 0 1 2.6 柳亚冰,单贵平.基于S i m u l i n k的航空发动机控制律设计与仿真.微型电脑应用,2 0 1 2年1 0月.7 高虎,封二强,王宁.基于安全性的航空发动机控制软件测试技术.航空发动机.2 0 1 8年1月.8 张树彦,吕晓武,殷锴,张天宏,胡忠志.F A D E C硬件在回路测试系统设计.测控技术2 0 1 3年9期.9 李健,邱明星,苏媛媛,田静,吕春光.MB D技术在航空发动机设计中的应用.航空发动机.2 0 1 5年1 0期.1 0 刘富荣,基于模型的商用发动机机载软件开发方法.自动化仪表.2 0 1 7年6月.1 1 周彰毅,黄浩,方伟,朱理化.基于S C A D E的航空发动机F A D E C软件开发.测控技术.2 0 1 8年0 1期.1 2 刘宁宁,王瑶,索高华,颜哲.A R I N C 6 5 9总线系统设计与实现.电子技术应用.2 0 1 6年4 2卷1 0期.18