一种多余度航行器控制系统的半物理仿真系统与测试方法技术方案

本发明专利技术公开了一种多余度航行器控制系统的半物理仿真系统与测试方法，该系统包括：用于模拟综合控制层的余度综合计算机模拟器、用于模拟现场层的现场控制单元模拟器、被试对象模拟器以及应急计算机模拟器；单个余度综合计算机模拟器包括：与控制计算机相同型号的处理器、背板、前面板连接器以及总线和相应接口；所述现场控制单元模拟器、被试对象模拟器以及应急计算机模拟器均采用实时仿真机进行模拟，并在实时仿真机中加装控制系统总线板卡与余度综合计算机模拟器通信。提出了一种针对航行器多余度综合控制系统的半物理仿真模拟架构，利用该架构可以在硬件尚未完成时对多余度综合控制系统进行系统模拟与测试，提高设计效率。提高设计效率。提高设计效率。

【技术实现步骤摘要】
一种多余度航行器控制系统的半物理仿真系统与测试方法


[0001]本专利技术涉及船舶总体设计技术，尤其涉及一种多余度航行器控制系统的半物理仿真系统与测试方法。

技术介绍

[0002]为了验证航行器综合控制系统的控制安全性，通常在算法设计之初在实验室搭建被控对象、环境及控制器的数字仿真模型，进行在线代码生成，并注入实时仿真机，进行任务剖面的功能性能测试，从而发现航行器综合控制系统的设计问题，及早进行修正，这个阶段称为半物理仿真测试试验。航行器综合控制系统通常采用余度设计，通常试验室的配试设备用于对外部被控对象数字模型的实时模拟与快速生成，未考虑面向多余度控制系统时的余度切换、应急性能指标的模拟与测试，因此不具备对余度综合控制系统本身的模拟能力，因此面对采用多余度综合控制系统的航行器，难以在硬件系统完成制造前进行软硬件快速仿真与验证，难以在设备建造前发现系统问题，导致开发成本高、周期长。

技术实现思路

[0003]本专利技术要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种多余度航行器控制系统的半物理仿真系统与测试方法。
[0004]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种多余度航行器控制系统的半物理仿真系统，包括：
[0005]用于模拟综合控制层的余度综合计算机模拟器、用于模拟现场层的现场控制单元模拟器、被试对象模拟器以及应急计算机模拟器；
[0006]单个余度综合计算机模拟器包括：与控制计算机相同型号的处理器、背板、前面板连接器以及总线和相应接口；GPIO接口通过连接器引出，并支持自适应10/100/1000兆以太网；Reset、Stop、GPIO*4、RS232引出到前面板连接器，便于模拟故障注入；多路RS422电平芯片转换后，以差分信号形式，通过背板引出；
[0007]所述处理器支持CPCI总线，并通过背板引出，余度数据和控制总线通过CPCI背板连接到处理器主板；
[0008]多个余度综合计算机模拟器通过以太网进行数据同步，通过控制总线进行控制指令同步；
[0009]余度综合计算机模拟器上布置有综合控制系统，综合控制系统根据接收到的控制总线数据，进行多余度控制系统中的数据同步、表决，并完成综合控制系统的控制计算，最终将控制计算结果作为控制信号通过控制总线下发到现场控制单元；
[0010]所述现场控制单元模拟器、被试对象模拟器以及应急计算机模拟器均采用实时仿真机进行模拟，并在实时仿真机中加装控制系统总线板卡与余度综合计算机模拟器通信，现场控制单元模拟器运行模拟被控对象与控制逻辑的数字模型，并将控制信号部署到被试对象模拟器以及应急计算机模拟器的实时仿真机上运行。
[0011]一种实时多余度控制系统的测试方法，包括：
[0012](1)采集与控制支路故障与余度切换模拟测试
[0013]对于采集与控制支路故障，在被试对象模拟器中根据实际情况对冗余传感器及被控通道进行分别模拟，在模拟通道故障时，通过注入故障产生的消息给数字模型，数字模型对该通道信号停止发送，即可模拟通道故障；通道故障发生后，观察综合控制计算机通道故障反应时间，通道切换时间、通道切换过程中航行器性能曲线，验证是否满足每种通道故障发生时的安全性；
[0014](2)计算机余度仲裁逻辑的正确性测试
[0015]对现场控制单元及应急计算机，通过在数字模型建立掉线故障事件类型的模拟，在试验过程中触发该掉线故障事件，对该数字模型停止工作，从而完成对现场控制单元、应急计算机故障事件的模拟；
[0016]对综合控制计算机的故障事件，通过综合控制系统控制余度综合计算机模拟器人为停止工作从而触发掉线报警进行模拟，仲裁逻辑分别位于各个余度综合计算机模拟器的应急分区软件、应急控制计算机模拟器中的应急软件中，分别判断相应故障切换工作逻辑是否准确，完成对计算机余度仲裁逻辑正确性的检查；通过对切换时间、数值试验控制性能参数的测量，从而定量评价计算机余度仲裁及切换性能的有效性。
[0017]本专利技术产生的有益效果是：
[0018]1)提出了一种针对航行器多余度综合控制系统的半物理仿真模拟架构，利用该架构可以在硬件尚未完成时对多余度综合控制系统进行系统模拟与测试，从而及早发现设计问题，以较小的代价修改设计；
[0019]2)给出了一套针对多余度控制系统的余度功能、性能模拟测试方法，结合仿真测试架构，可以完成对多余度综合控制软件的早期设计阶段进行余度仿真与验证。
附图说明
[0020]下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明，附图中：
[0021]图1是本专利技术实施例的余度综合控制半物理仿真系统结构图；
[0022]图2是本专利技术实施例的余度综合控制半物理仿真架构示意图；
[0023]图3是本专利技术实施例的现场层设备模拟架构示意图；
[0024]图4是本专利技术实施例的被控对象数字建模与模拟流程图；
[0025]图5是本专利技术实施例的基于模型的在线半物理系统仿真流程图；
[0026]图6是本专利技术实施例的余度功能性能测试流程图；
[0027]图7是本专利技术实施例的余度通道故障模拟原理图。
具体实施方式
[0028]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0029]如图1所示，一种多余度控制系统的半物理仿真系统，包括：
[0030]用于模拟综合控制层的余度综合计算机模拟器、用于模拟现场层的现场控制单元
模拟器、被试对象模拟器以及应急计算机模拟器；
[0031]单个余度综合计算机模拟器包括：与控制计算机相同型号的处理器、背板、前面板连接器；GPIO接口通过连接器引出，并支持自适应10/100/1000兆以太网；Reset、Stop、GPIO*4、RS232引出到前面板连接器，便于模拟故障注入；多路RS422电平芯片转换后，以差分信号形式，通过背板引出；
[0032]所述处理器支持CPCI总线，并通过背板引出，余度数据和控制总线通过CPCI背板连接到处理器主板；
[0033]多个余度综合计算机模拟器通过以太网进行数据同步，通过控制总线进行控制指令同步；
[0034]余度综合计算机模拟器上布置有综合控制系统，综合控制系统根据接收到的控制总线数据，进行多余度控制系统中的数据同步、表决，并完成综合控制系统的控制计算，最终将控制计算结果作为控制信号通过控制总线下发到现场控制单元；
[0035]所述现场控制单元模拟器、被试对象模拟器以及应急计算机模拟器均采用实时仿真机进行模拟，并在实时仿真机中加装控制系统总线板卡与余度综合计算机模拟器通信，现场控制单元模拟器运行模拟被控对象与控制逻辑的数字模型，并将控制信号部署到被试对象模拟器以及应急计算机模拟器的实时仿真机上运行。
[0036]以一个三余度综合控制系统的半物理仿真测试为例，该三余度综合控本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多余度航行器控制系统的半物理仿真系统，其特征在于，包括：用于模拟综合控制层的余度综合计算机模拟器、用于模拟现场层的现场控制单元模拟器、被试对象模拟器以及应急计算机模拟器；单个余度综合计算机模拟器包括：与控制计算机相同型号的处理器、背板、前面板连接器以及总线和相应接口；多个余度综合计算机模拟器通过以太网进行数据同步，通过控制总线进行控制指令同步；余度综合计算机模拟器上布置有综合控制系统，综合控制系统根据接收到的控制总线数据，进行多余度控制系统中的数据同步、表决，并完成综合控制系统的控制计算，最终将控制计算结果作为控制信号通过控制总线下发到现场控制单元模拟器；所述现场控制单元模拟器、被试对象模拟器以及应急计算机模拟器均采用实时仿真机进行模拟，并在实时仿真机中加装控制系统总线板卡与余度综合计算机模拟器通信，现场控制单元模拟器运行模拟被控对象与控制逻辑的数字模型，并将控制信号部署到被试对象模拟器以及应急计算机模拟器的实时仿真机上运行。2.根据权利要求1所述的多余度航行器控制系统的半物理仿真系统，其特征在于，所述单个余度综合计算机模拟器包括：与控制计算机相同型号的处理器、背板、前面板连接器以及总线和相应接口；GPIO接口通过连接器引出，并支持自适应以太网；Reset、Stop、GPIO*4、RS232引出到前面板连接器，便于模拟故障注入；多路RS422电平芯片转换后，以差分信号...

【专利技术属性】
技术研发人员：余子斌，王冠学，余翔宇，庄鹏，吴畏，
申请(专利权)人：中国舰船研究设计中心，
类型：发明
国别省市：