一种多层嵌套控制回路实时仿真控制系统技术方案

本发明专利技术公开了一种多层嵌套控制回路实时仿真控制系统，包括高带宽底层控制回路和低带宽底层控制回路

【技术实现步骤摘要】
一种多层嵌套控制回路实时仿真控制系统


[0001]本专利技术涉及仿真调度领域，具体涉及一种多层嵌套控制回路实时仿真控制系统
。

技术介绍

[0002]目前，在航空航天
、
高铁
、
汽车
、
精密机械
、
工业自动化等领域，将开发的电子控制器在闭环的实时仿真系统中开展控制系统需求的设计验证，且已经成为开发过程中通用和必不可少的环节
。
一套功能完善
、
性能稳定
、
验证置信度高的实时仿真系统，已成为开发高性能
、
高质量
、
高可靠
、
技术状态可控的控制系统典型要求
。
[0003]实时仿真系统的建设需要考虑几个关键的问题，如验证能力全面
、
功能覆盖
、
性能保证
、
安全可靠
、
技术状态易受控
、
维护性好等几个方面
。
其中功能
、
性能和可靠性根据不同仿真系统提供商的指标对比中获取，技术状态管控和维护性方面则是在具体的应用实践中通过硬件的模块化优化设计获取；但是在验证能力方面，目前的硬件在回路对执行过程中的高速动态解决措施较为不足，普遍需要结合更高一层级的执行机构在回路来开展置信度更高的进一步试验验证
。
如飞机发动机控制系统在硬件在回路试验后续需要开展半物理试验补充验证燃油作动机构的功能和性能，飞机的飞行控制系统同样在硬件在回路试验后续需要开展铁鸟试验补充验证电传
、
气动
、
液压作动机构的功能和性能等
。
[0004]之所以在硬件在回路验证环境，在高速动态环节存在普遍的不足，原因主要由两个方面：
1)
执行机构的高速动态一般需要采用毫秒
(ms)
级别一下的仿真步长
、
求解强非线性的迭代解算器，这些对目前的实时仿真操作系统提出了较高的要求；
2)
采用
FPGA
硬件电子板卡模拟高速驱动部件动态特性硬件模型，通常不能和已有的操作系统级别的软件模型进行有效的集成
、
整个系统的实时性保证缺乏成熟规范的技术
。
因此，目前多层嵌套仿真系统存在以下几个问题：
1、
嵌套的底层控制回路带宽高，常规仿真用的实时操作系统不足以模拟其完整动态的仿真；
2、
多层控制回路之间控制流传递耦合和集成存在问题
。

技术实现思路

[0005]以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解
。
此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围
。
其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序
。
[0006]本专利技术的目的在于解决上述问题，提供了一种多层嵌套控制回路实时仿真控制系统，将硬件模型和软件模型分别通过高带宽底层控制回路和低带宽底层控制回路通过软件模型进行实现，然后将硬件模型和软件通过实时仿真操作系统进行仿真测试，从而解决了常规的实时仿真操作系统中由于只通过软件模型的低带宽底层控制回路难以模拟其完整动态的仿真问题
。
[0007]本专利技术的技术方案为：
[0008]本专利技术提供一种多层嵌套控制回路实时仿真控制系统，包括高带宽底层控制回路
和低带宽底层控制回路；其中，所述高带宽底层控制回路通过硬件模型进行实现，所述低带宽底层控制回路通过软件模型进行实现，所述硬件模型和所述软件模型通过实时仿真操作系统进行仿真测试
。
[0009]根据本专利技术的多层嵌套控制回路实时仿真控制系统的一实施例，所述混合模型实时仿真系统包括实时仿真操作系统单元
、
硬件扩展
FPGA
板卡单元和电子设备单元，所述高带宽底层控制回路和低带宽底层控制回路分别包括决策层
、
控制层和伺服层；其中，
[0010]所述决策层包括决策层被控模型和决策层控制器，作为根据不同的控制目的或控制模式对控制层的控制目标进行计算处理的逻辑层；
[0011]所述控制层包括控制层被控模型和控制层控制器，作为根据决策层下发的目标完成伺服层控制目标的计算处理的逻辑层；
[0012]所述伺服层包括伺服层控制模型和伺服层控制器，作为根据控制层下发的目标完成被控对象驱动指令的计算处理的逻辑层
。
[0013]根据本专利技术的多层嵌套控制回路实时仿真控制系统的一实施例，所述决策层被控模型和控制层被控模型运行于所述实时仿真操作系统单元中的实时仿真操作系统；
[0014]所述伺服层控制模型运行于所述硬件扩展
FPGA
板卡单元；
[0015]所述决策层控制器
、
控制层控制器和伺服层控制器运行于电子设备单元
。
[0016]根据本专利技术的多层嵌套控制回路实时仿真控制系统的一实施例，所述实时仿真操作系统包括硬件
FPGA
设备模块
、
低速设备模块
、
通讯设备模块
、
定时同步设备模块和中央处理器模块；其中，
[0017]所述硬件
FPGA
设备模块通过硬件
FPGA
设备装载硬件
FPGA
设备任务集；
[0018]所述低速设备模块通过低速设备进行数据采集；
[0019]所述通讯设备模块用于实现所述实时仿真操作系统的信息通讯；
[0020]所述定时同步设备模块通过定时和同步设备控制所述中央处理器模块和所述硬件
FPGA
设备模块中的硬件同步和定时；
[0021]所述中央处理器模块根据所述定时和同步设备控制所述调取任务池中调度任务的调度发起和调度终止
。
[0022]根据本专利技术的多层嵌套控制回路实时仿真控制系统的一实施例，所述硬件
FPGA
设备与所述定时和同步设备通过高速实时数据总线与所述中央处理器模块进行数据通信，并根据高速总线规范扩展硬件
FPGA
设备；
[0023]所述低速设备与所述通讯设备通过低速数据总线与所述中央处理器模块进行数据通信，并根据低速数据总线规范进行低速设备模块扩展
。
[0024]根据本专利技术的多层嵌套控制回路实时仿真控制系统的一实施例，所述调度任务池包括主控制任务
、
硬件
FPGA
设备模型调度任务
、
软件模型调度任务
、
数据处理任务
、
低速设备任务
、
通讯任务
、
硬件本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种多层嵌套控制回路实时仿真控制系统，其特征在于，包括高带宽底层控制回路和低带宽底层控制回路；其中，所述高带宽底层控制回路通过硬件模型进行实现，所述低带宽底层控制回路通过软件模型进行实现，所述硬件模型和所述软件模型通过实时仿真操作系统进行仿真测试
。2.
根据权利要求1所述的多层嵌套控制回路实时仿真控制系统，其特征在于，所述混合模型实时仿真系统包括实时仿真操作系统单元
、
硬件扩展
FPGA
板卡单元和电子设备单元，所述高带宽底层控制回路和低带宽底层控制回路分别包括决策层
、
控制层和伺服层；其中，所述决策层包括决策层被控模型和决策层控制器，作为根据不同的控制目的或控制模式对控制层的控制目标进行计算处理的逻辑层；所述控制层包括控制层被控模型和控制层控制器，作为根据决策层下发的目标完成伺服层控制目标的计算处理的逻辑层；所述伺服层包括伺服层控制模型和伺服层控制器，作为根据控制层下发的目标完成被控对象驱动指令的计算处理的逻辑层
。3.
根据权利要求2所述的多层嵌套控制回路实时仿真控制系统，其特征在于，所述决策层被控模型和控制层被控模型运行于所述实时仿真操作系统单元中的实时仿真操作系统；所述伺服层控制模型运行于所述硬件扩展
FPGA
板卡单元；所述决策层控制器
、
控制层控制器和伺服层控制器运行于电子设备单元
。4.
根据权利要求1所述的多层嵌套控制回路实时仿真控制系统，所述实时仿真操作系统包括硬件
FPGA
设备模块
、
低速设备模块
、
通讯设备模块
、
定时同步设备模块和中央处理器模块；其中，所述硬件
FPGA
设备模块通过硬件
FPGA
设备装载硬件
FPGA
设备任务集；所述低速设备模块通过低速设备进行数据采集；所述通讯设备模块用于实现所述实时仿真操作系统的信息通讯；所述定时同步设备模块通过定时和同步设备控制所述中央处理器模块和所述硬件
FPGA
设备模块中的硬件同步和定时；所述中央处理器模块根据所述定时和同步设备控制所述调取任务池中调度任务的调度发起和调度终止
。5.
根据权利要求4所述的多层嵌套控制回路实时仿真系统，其特征在于，所述硬件
FPGA
设备与所述定时和同步设备通过高速实时数据总线与所述中央处理器模块进行数据通信，并根据高速总线规范扩展硬件
FPGA
设备；所述低速设备与所述通讯设备通过低速数据总线与所述中央处理器模块进行数据通信，并根据低速数据总线规范进行低速设备模块扩展
。6.
根据权利要求4所述的多层嵌套控制回路实时仿真系统，其特征在于，所述调度任务池包括主控制任务
、
硬件
FPGA
设备模型调度任务
、
软件模型调度任务
、
数据处理任务
、
低速设备任务
、
通讯任务
、
硬件
FPGA
设备的任务和定时和同步任务；其中，所述主控制任务
、
硬件
FPGA
设备模型调度任务
、
软件模型调度任务
、
数据处理任务
、
低速设备任务
、
通讯任务位于中央处理器，通过所述主控制任务控制硬件
FPGA
设备模型调度任务
、
软件模型调度任务
、
数据处理任务
、
低速设备任务
、
通讯任务
、
硬件
FPGA
设备任务和定
时和同步任务的调度，并将其他各任务的返回数据传输到主控制任务；所述硬件
FPGA
设备任务位于硬件
FPGA
设备，根据高速总线规范继续扩展硬件
FPGA
设备；所述定时和同步任务位于定时和同步设备，通过所述定时和同步任务实现
FPGA
设备和中央处理器的硬件同步和定时
。7.
根据权利要求6所述的多层嵌套控制回路实时仿真系统，其特征在于，所述主...

【专利技术属性】
技术研发人员：张园锁，李栋，宋云峰，郑昊，
申请(专利权)人：中国航发商用航空发动机有限责任公司，
类型：发明
国别省市：